Ramirez rocha

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UNIVERSIDAD VERACRUZANA FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA ELECTRICA ZONA POZA RICA TUXPAN “INGENIERIA APLICADA PARA LA SELECCIÓN DE PARARRAYOS Y SISTEMAS DE TIERRA” TESINA QUE PARA OBTENER EL TITULO DE: INGENIERO MECÁNICO ELÉCTRICISTA PRESENTA: MARCOS ISAURO RAMÍREZ ROCHA DIRECTOR DE TRABAJO RECEPCIONAL: ING. CARLOS ALARCON ROSAS POZA RICA DE HGO., VER.

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UNIVERSIDAD VERACRUZANA FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA ELECTRICA

ZONA POZA RICA – TUXPAN

“INGENIERIA APLICADA PARA LA SELECCIÓN DE PARARRAYOS Y SISTEMAS DE TIERRA”

TESINA

QUE PARA OBTENER EL TITULO DE:

INGENIERO MECÁNICO ELÉCTRICISTA

PRESENTA:

MARCOS ISAURO RAMÍREZ ROCHA

DIRECTOR DE TRABAJO RECEPCIONAL:

ING. CARLOS ALARCON ROSAS

POZA RICA DE HGO., VER.

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INDICE

NOMENCLATURA

INTRODUCCIÓN

CAPITULO I

Justificación 3

Naturaleza, sentido y alcance del trabajo 4

Enunciación del tema 5

Explicación de la estructura del trabajo 6

CAPITULO II

Planteamiento del tema de la investigación 8

Marco contextual 9

Marco teórico:

1.0 Descargas atmosféricas 11

1.1. Teorías sobre la formación de descargas atmosféricas 11

1.2. Características de las descargas atmosféricas 16

1.3. Campos eléctricos 18

1.4. Formación y producción de descargas 21

1.5. Estructura eléctrica de una tormenta 23

1.6. Diferencia de potencial en las descargas atmosféricas 24

1.7. Longitud de las descargas atmosféricas 25

1.8. Otras magnitudes energéticas 25

1.9. Daños que pueden causar 26

1.10. Generalidades sobre efectos del rayo 27

1.11. Consecuencias térmicas del rayo 27

1.12. Consecuencias dinámicas del rayo 29

1.13. Efectos químicos 29

1.14. Conclusiones de las teorías sobre la formación del rayo 30

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2.0 Tipos de pararrayos existentes 31

2.1 Generalidades de los pararrayos 31

2.2 Estructura de una instalación de pararrayos 36

2.3 Pararrayos Franklin 43

2.4 Pararrayos Melsens 44

2.5 Pararrayos pasivos 46

2.6 Pararrayos de jaula 46

2.7 Pararrayos Activos 46

2.8 Pararrayos radioactivos 47

2.9 Pararrayos de efecto corona 50

2.10 Pararrayos Magnetizados 52

3.0 Diseño del sistema de Protección 53

3.1. Consideraciones para el diseño 53

3.2. Diferentes tipos de edificios a considerar en

protección contra descargas atmosféricas 53

3.3. Especificaciones 55

3.4. Diseño del sistema de protección 70

3.5. Diseño del sistema en base a las instalaciones 74

4.0 Sistemas de tierra 84

4.1 Estudio de la resistividad del terreno 84

4.2 Definiciones de sistemas de tierra 87

4.3. Revisión del sistema de tierras 89

4.4 Clasificación de los sistemas de tierra 90

4.5. Componentes básicos 92

4.6 Materiales empleados en la red de tierras 93

4.7 Características del sistema de tierra 97

4.8 El problema básico del aterrizado seguro 98

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4.9 Condiciones desfavorables para los sistemas de tierra 99

4.10 Efectos de Recierres 100

4.11 Tensión de paso 100

4.12 Factores que intervienen para elegir un buen sistema

De tierras 101

4.13 Selección de las redes de tierra 102

4.14 Sistemas de tierras profundas 105

4.15 Sistemas de tierra EP-C 106

4.16 Sistemas de tierra en placa 106

4.17 Otros sistemas de tierra 106

5.0 Factores importantes para el diseño de red de tierras 110

5.1 Recomendaciones practicas para la medición de la

resistividad del terreno en área donde se construirá una

subestación 110

5.2 Efectos de gradiente de voltaje 114

5.3 Efectos de la Humedad 114

5.4 Efectos del contenido Químico 115

5.5 Efecto de la temperatura 117

5.6 Métodos de reducción de valores de resistencia y

resistividad del terreno 117

5.7 Efectos de la temperatura sobre la resistividad del terreno 117

5.8 Resistividad de distintos materiales 122

6.0 Calculo del Sistema de tierras 126

CAPITULO III

CONCLUSIONES 141

BIBLIOGRAFIA 142

ANEXOS 143

APENDICES 187

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1

INTRODUCCÓN

En el diseño y proyecto de las instalaciones destinadas al suministro o a la

utilización de la energía eléctrica, una de las mayores preocupaciones de los

ingenieros de diseño ha sido como conectar a tierra los equipos eléctricos de

una manera segura y apropiada.

Este problema existe en todos los campos de la ingeniería eléctrica desde las

bajas corrientes a tierra de los equipos electrónicos de estado sólido, hasta las

altas corrientes a tierra de las grandes subestaciones en extra alta tensión.

A causa de las altas corrientes de falla disponibles hoy en día, es esencial un

buen sistema de tierras en todas las partes del sistema eléctrico, ya sea en

subestaciones, líneas de transmisión o distribución o en equipos de baja

tensión.

En las subestaciones eléctricas, uno de los aspectos principales para la

protección contra sobre tensiones, ya sea en origen interno o externo, es el

disponer un adecuado sistema de tierras al cual se conecta el neutro de los

equipos eléctricos y a todas aquellas partes metálicas que deben estar a

potencial de tierra.

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CAPITULO I

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JUSTIFICACIÓN

“Alcanzado por un rayo”, es una metáfora para lo inesperado, un desastre

impredecible; una gran tormenta eléctrica, puede producir hasta 100 descargas

por minuto y , una pequeña nube de tormenta puede generar la energía de una

pequeña planta de fuerza nuclear (unos pocos cientos de Megawatts).

No todos los rayos descargan a tierra, pero cuando ésto ocurre, esa energía

puede ser devastadora. Una empresa de telecomunicaciones, puede salir de

operación por horas o días, debido a daños en el equipo, o una planta

petroquímica puede tener incendios originados por rayos, con peligrosos

riesgos y elevados costos.

Hasta hace relativamente poco tiempo, se podía hacer para minimizar estos

riesgos. Cuando y donde ocurrirán las descargas eléctricas atmosféricas

tradicionalmente, la protección contra rayos ha pretendido atraer y desviar la

energía de una descarga eléctrica atmosférica hacia la tierra física,

Al mismo tiempo que éste puede eliminar algunos de los graves efectos de un

impacto directo, resultan otras desventajas y serios inconvenientes.

Ninguno de los sistemas tradicionales son 100% efectivos y todos ellos

afectados por los efectos secundarios en relación a la proximidad con los

campos electrostáticos y campos electromagnéticos. Todos los rayos son

peligrosos, especialmente en áreas donde se manejan productos flamables,

explosivos y equipos electrónicos.

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NATURALEZA, SENTIDO Y ALCANCE DEL TRABAJO

No hay duda acerca del peligro que implican los rayos y sus efectos asociados

a incendios, lesiones o perdida de la vida, daños, destrucción a propiedades,

perdidas significativas de tiempo y dinero por salidas de operación, debidas a

daños en los equipos, todo esto convierte a los rayos en una seria amenaza

Los efectos secundarios pueden resultar devastadores, esto resulta

especialmente cierto para líneas de energía e instalaciones en equipos

electrónicos que son muy sensibles.

Efectos Directos

Los efectos directos de un rayo, son la destrucción física, causada por el

impacto pueden resultar incendios. Cuando un impacto directo golpea una

instalación donde hay materiales combustibles. Pueden estar expuestos al

rayo, el canal del rayo el efecto de calentamiento del rayo.

Las estadísticas de la industria petrolera, registran amplia evidencia de la

naturaleza destructiva de los rayos. Millones de dólares en pérdidas se

registran cada año por la destrucción de plantas petroquímicas y muchas otras

instalaciones, por los fenómenos relacionados con las descargas eléctricas

atmosféricas en muchas partes del mundo, además de perdidas de vida

cuando esas instalaciones se incendian o explotan.

Efectos Secundarios

Los efectos secundarios de un impacto de rayo directo o cercano a una

instalación incluyen; La carga electrostática del pulso electromagnético y los

pulsos electroestáticos, las corrientes de tierra y el voltaje transitorio.

Datos estadísticos indican que los efectos secundarios, son la causa de la

mayoría de los incendios reportados actualmente en instalaciones petroleras.

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5

ENUNCIACION DEL TEMA

La Enunciación del tema de mi trabajo recepcional es “Ingeniería Aplicada

Para la selección de pararrayos Y sistemas de tierra” en donde se propone,

que permita a la persona interesada tener un procedimiento para la selección

de pararrayos y el calculo adecuado de sistema de tierras.

Desde el primer momento en que se tiene conocimiento de que un rayo es una

descarga eléctrica, científicos e ingenieros han estudiado e investigado con

profundidad las tormentas y descargas eléctricas atmosféricas (sin embargo, la

protección contra los rayos no han cambiado substancialmente desde los

tiempos de Benjamín Franklin).

Después de siglos de investigación, nuevos y sofisticados instrumentos que

han aportado grandes conocimientos, todavía hay muchas incógnitas acerca de

este fenómeno que no ha sido claramente entendido como opera la protección

contra descargas eléctricas atmosféricas y cual es el sistema mas adecuado

para diferentes aplicaciones es necesario un análisis del lo que es el

fenómeno.

Una red de tierra en una subestación es la de cumplir con las siguientes

funciones:

a) Proporcionar un circuito de muy baja impedancia para la circulación de

las corrientes de tierra, ya sean debidas a una falla de aislamiento o la

elección de un pararrayo.

b) Evitar que durante la circulación de estas corrientes de tierra pueden

producirse diferencias de potencial entre distintos puntos de las

subestaciones, que pueden ser peligrosos para el personal.

c) Facilitar mediante sistemas de relevadores, la eliminación de las fallas a

tierra en los sistemas eléctricos

d) Dar mayor confiabilidad y continuidad al servicio eléctrico

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EXPLICACIÓN DE LA ESTRUCTURA DEL TRABAJO

En este proyecto el lector podrá ver de manera concisa y comprender los

temas que se involucran en el diseño y construcción de sistemas de protección

contra descargas atmosféricas, así también como el cuidado que se debe tener

al seleccionar el tipo pararrayos y sistemas de tierra. Para no caer en errores

que puedan ser costosos tanto de tiempo como económicos.

El desarrollo de este proyecto se divide en 3 capítulos y comprenden los

siguientes temas:

En el capitulo I se encuentra la justificación de este proyecto, su naturaleza

sentido y alcance, la enunciación del tema y la explicación de la estructura del

trabajo.

En el capitulo II se observa el planteamiento del tema de investigación, el

marco contextual, es decir, los factores que intervienen en este proyecto,

seguido por el marco teórico el cual esta dividido en 6 temas los cuales son:

1) Descargas atmosféricas

2) Tipos de pararrayos existentes

3) Diseño de sistemas de protección Sistemas de tierra

4) Sistemas de tierra

5) Factores importantes para el diseño de red de tierras

6) Calculo de sistemas de tierra

En el capitulo III se encuentran las conclusiones a las que se llego, la

bibliografía de donde se obtuvo nuestra información para el desarrollo del

proyecto así como los anexos y apéndices.

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CAPITULO II

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PLANTEAMIENTO DEL TEMA DE LA INVESTIGACIÓN

El motivo principal de este trabajo de investigaciones es proporcionar a

estudiantes de Ingeniería Mecánica Eléctrica información relativa a la

protección contra las descargas atmosféricas con el uso de pararrayos y

sistemas de tierra

En este trabajo se utilizará de manera sencilla y práctica una teoría de

selección de pararrayos y sistemas de tierra.

Esperando que esta información le sirva al lector, como una consulta en los

proyectos en donde se involucren la protección de sistemas eléctricos, contra

descargas atmosféricas.

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MARCO CONTEXTUAL

Esta investigación, se desarrolla a partir de información recopilada en distintas

bibliotecas nacionales (Biblioteca Enzo-Levi UNAM; Biblioteca del Instituto

Mexicano del Petróleo; Biblioteca del Instituto Politécnico Nacional Y

CINVESTAV DEL IPN); sin embargo la aplicación de este conocimiento se

llevará a cabo en las instalaciones de la Facultad de Ingeniería Mecánica

Eléctrica de la U.V. Poza Rica en el proyecto sobre Alternativas de generación

de Energía Eléctrica.

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MARCO TEÓRICO

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1.0 DESCARGAS ATMOSFERICAS

1.1 TEORÍAS SOBRE LA FORMACIÓN DE LAS DESCARGAS

ATMOSFERÍCAS

El rayo una inmensa chispa eléctrica natural, llamada también descarga

atmosférica; es él arma más poderosa dé la naturaleza, además de que tiene

un promedio de ocurrencia dé 100 veces por segundo sobré la faz dé la tierra.

Sé le conoce más por sus efectos nocivos, aunque son más los beneficios que

proporciona.

Se desconoce el proceso exacto por el cual la atmósfera o una nube adquiere

cargas eléctricas de tal magnitud qué dan origen al rayo o descarga

atmosférica.

Sé han emitido varias teorías para explicar la acumulación de éstas cargas,

pero el problema es complejo y aunque sé reproduce en el laboratorio, éste no

es significativo por los valores de corriente alcanzados, además de lo aleatorio

de las condiciones necesarias para que ocurra la descarga en una tormenta.

1.1.1 Teoría de Simpson.

Simpson manifestó que la formación de cargas eléctricas en las nubes se debe

a corrientes de aire que sé encuentran en su interior.

Las corrientes de aire ascendentes transportan vapor húmedo del mar o de la

superficie terrestre, este vapor al encontrarse a determinada altura y bajo

condiciones atmosféricas propicias, se condensa transformándose en gotas de

agua.

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12

Cuando se inicia la lluvia en su caída, las gotas encuentran corrientes de airé

ascendentes que provocan el rompimiento de las mismas, formándose gotas

más pequeñas, éstas gotas por un procedimiento parecido vuelven a

fraccionarse en tamaños menores, al ocurrir él rompimiento de las gotas, sé

desprenden iones negativos; generando así, cargas eléctricas que se dispersan

en la atmósfera y al mismo tiempo son llevados por las corrientes de airé

ascendentes a la parte superior de la nube, en tanto la parte inferior de la nube

sé carga en forma positiva.

1.1.2 Teoría de Elster y Geitel.

Esta teoría sé fundamenta en estudios realizados sobré una gota grande de

lluvia a través del campo eléctrico de la misma, cuyo gradiente superficial es de

100 volts por metro dé altura; debido a la acción de esté campo, la gota se

polariza en la parte inferior por una gota positiva.

La gota cargada eléctricamente en su caída, se encuentra con corrientes dé

airé ascendentes que le producen una disminución dé tamaño, continuando su

caída hacia la tierra, pudiendo así encontrar gotas dé mayor tamaño,

desequilibrándose eléctricamente. El contacto dé gotas dé diferentes tamaños

se repetirá frecuentemente, originándose este valor hasta llegar a un valor

crítico, qué produce la descarga o rayo.

Esté proceso descrito en 1885, permite explicar la carga positiva de la lluvia,

pero no la formación dé los campos eléctricos dé las tormentas.

1.1.3 Teoría de Wilson.

Según C.T. Wilson, una gota polarizada capta durante su caída más iones

negativos qué positivos, cargándose por ésta razón en medida creciente con

electricidad negativa.

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13

En la atmósfera normalmente existe una gran cantidad de iones negativos y

positivos qué sé mueven en diferentes direcciones con una velocidad promedio

dé un centímetro por segundo, bajo la acción de un campo eléctrico de un volt

por centímetro (experimento dé Wilson).

La existencia dé iones en él airé los estima en el orden dé 1000 positivos y 800

negativos por centímetro cúbico, Juan Jagsich nos dice qué en Pilar, cerca dé

Córdova, Argentina, sé registraron en término medio 2,272 iones por

centímetro cúbico, de los cuales 1,147 fueron dé carga positiva y 1,125 de

carga negativa.

Wilson especifica también qué para estudiar él origen de las descargas

atmosféricas en las nubes, es necesario considerar el rompimiento dé las gotas

de una tormenta; por consiguiente, una separación dé su carga eléctrica

respectiva en él proceso dé lluvia, las gotas hacen contacto con iones

eléctricos dando origen a qué aumenté la ionización de la atmósfera, facilitando

la formación de trayectoria del canal del rayo para descargar hacia la tierra o

hacia la nube.

1.1.4 Teoría de Findeisen y Wichamann

El hielo en la nube tiene importancia en la acumulación de cargas eléctricas

que produce el rayo. La teoría de Findeisen y Wichmann, suponen que de los

cristales de hielo en caída se desprenden astillas cargadas de electricidad

negativa.

Estas astillas, debido a su reducido peso, quedarían flotando en el espacio,

mientras que los "granos" de hielo, considerablemente más pesados y en

continuo crecimiento, prosiguen su caída. De esta manera hay una separación

de cargas en la nube.

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1.1.5 Teoría de Brook

Esta teoría se basa en el contacto que tiene un granizo con otro, por el efecto

volta permitiendo así que el aire adquiera una carga positiva y el hielo quede

cargado negativamente, en el laboratorio se ha podido comprobar que el hielo

al formarse queda cargado negativamente.

1.1.6 Teoría de Sir Basil Schonland.

Según este científico la descarga atmosférica está vinculada con las nubes.

Cuando una típica nube de tormenta comienza a formarse, una masa de aire

cálido asciende; esta masa transporta una considerable cantidad de humedad,

en forma de vapor de agua.

A medida que la masa se eleva, se va enfriando; entonces puede retener

menos vapor de agua que cuando estaba más caliente. El vapor sobrante se

condensa en diminutas gotas que forman nubes.

El agua generalmente se congela a cero grados centígrados, sin embargo, bajo

ciertas condiciones permanece líquida a temperatura mucho mas baja, aún a -

4 grados centígrados, en este estado se dice que el agua esta sobre enfriada.

Las gotas que se forman en las nubes de tormenta, se sobre enfrían,

elevándose mucho más arriba que el nivel en que la atmósfera se encuentra a

cero grados centígrados.

Finalmente, alcanza una altura tal, en que la temperatura desciende a -40

grados centígrados, entonces las gotas se transforman en pequeños trozos de

hielo. Algunas de las gotas al congelarse se unen a otras.

De esta manera forman pequeñas piedras de granizo que comienzan a caer a

causa de su peso; pero continuamente chocan contra las gotas sobre enfriadas

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15

que ascienden, el agua de cada gota se congela sobre la piedra de granizo con

la que choca, y gradualmente, estas piedras aumentan de tamaño.

Al chocar contra cada gota, la piedra de granizo adquiere una carga negativa,

Sir Basil estaba convencido de que millones de estos choques entre las gotas

de agua y las piedras de granizo producen en la nube la carga eléctrica que

origina el rayo.

Al mismo tiempo, una pequeña astilla de hielo se desprende de la gota de agua

cuando esta se congela, la astilla lleva una carga positiva, las corrientes de aire

ascendentes transportan estas astillas y sus cargas positivas a las partes más

elevadas de la nube.

A medida que las astillas con carga positiva se elevan en la nube, las piedras

de granizo cargadas negativamente caen hacia la base, que es más caliente,

entonces estas se derriten para transformarse en grandes gotas de agua.

Este proceso puede continuar por una hora, durante este tiempo toda la nube

es como un inmenso generador. Mientras se ha estado produciendo el proceso

principal de carga, un efecto similar pero en menor escala se ha producido en

la base de la nube, debajo del polo negativo. Ahí es donde ocurre el disparo

que desata el rayo.

La descarga salta de este receptáculo de electricidad positiva al polo negativo,

situado un poco más arriba, entonces toda la carga positiva inferior, así como

parte de la negativa queda neutralizada, además, el trayecto a través del cual

ocurre la descarga el aire se ioniza, provocando que se comporte como un

conductor.

Por él desciende el resto de la carga negativa, que continúa en su trayectoria

hacia abajo, atraída por una carga positiva en la superficie de la tierra.

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La descarga no salta en una enorme chispa, sino que se orienta guiada por

variaciones locales en el campo eléctrico que tiene por delante. Puede formar

ramas, que se bifurcan hacia uno y otro lado.

(VER EN ANEXOS FIGURA 1, 2,3) se observa que al formarse el hielo

queda cargado negativamente

1.2 CARACTERÍSTICAS DE LAS DESCARGAS ATMOSFÉRICAS.

El aislamiento de los sistemas eléctricos, está continuamente bajo esfuerzo y

para que no se dañe o falle, debe limitarse al valor de las sobré tensiones que

se presenten durante el funcionamiento de dichos sistemas.

Las sobretensiones en cuestión, pueden ser de origen interno y de origen

externo o atmosférico, siendo estas últimas las que mayores magnitudes

alcanzan, aunque se presentan con menor frecuencia que las primeras.

Las descargas atmosféricas se deben principalmente a nubes cargadas a un

potencial elevado, cuya polaridad es opuesta a la de tierra.

Puede compararse el rayo con el salto de la chispa entre las placas de un

condensador de enormes dimensiones, donde las nubes forman una placa, la

superficie de la tierra otra y el aire su dieléctrico.

Cuando la carga de algunas nubes adquiere una elevada concentración y el

gradiente de potencial supera la rigidez dieléctrica del aire interpuesto, se

produce la ruptura, constituyendo el rayo una comente de aire ionizado.

Las descargas atmosféricas sobre líneas aéreas pueden alcanzar magnitudes

hasta de 2500 KV, 200 KA y frecuencias del orden de 100 KHz. Sin embargo,

aunque la tensión y la intensidad de la corriente de un rayo son

extremadamente grandes, la energía efectiva es relativamente pequeña, del

orden de 4 KwH, puesto que su duración es solo de unos cuantos

microsegundos.

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El rayo es un suceso aleatorio, puede ocurrir durante una tormenta o bien, no

ocurre cuando la carga eléctrica acumulada en la nube no es suficiente, así

podemos ver tormentas con descargas atmosféricas o bien sin rayos.

Esto sucede sin que se tenga una frecuencia determinada hay descargas con

distinta configuración e inclusive invertido el orden de signos.

Un análisis comparativo de diferentes tipos de pararrayos, nos lleva a ver su

funcionamiento antes, durante y después de una descarga atmosférica, que es

contra lo que nos vamos a proteger, la descarga se repite por lo menos dos

veces (50% restante) en el mismo lugar, siguiendo el camino de gases

fuertemente ionizados que dejó la primera, al provocar fallas o reducción de

eficiencia, descarga lo que puede en algunos pararrayos.

No todos los lugares tienen la misma probabilidad de que ocurra una descarga,

se puede ver esta probabilidad en los mapas de nivel isoceráunico, es decir,

mapas que nos muestran regiones con igual probabilidad de descarga

atmosférica, por lo que los sistemas de pararrayos también, deben de ser

diferentes en su diseño o componente de tierra, igualmente la altura de la

edificación por proteger influye, aún cuando están en una región con igual nivel

isoceraúnico, el de mayor altura tiene mayor probabilidad de rayo.

La cantidad de corriente que tiene un rayo, es del orden de los kilo amperes,

con un rango que abarca desde las decenas hasta las centenas, que se han

podido medir, en las líneas y subestaciones eléctricas.

La diferencia de potencial, tiene variación de valores desde 100 hasta

1, 000,000 de kilo Volts, aunque para la instalación de pararrayos, es más

importante la tensión que pueda surgir entre el sistema a tierra y el conjunto

receptor o pararrayos que se encuentre a mayor altura en la instalación

protegida, porque de ello depende la disipación de la carga en el terreno, según

el sistema de pararrayos para evitar la incidencia del rayo.

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Otro dato interesante sobre los rayos es su longitud; Estudios realizados en

Estados Unidos hablan de rayos desde 304.8 metros (1,000 pies), hasta

aproximadamente 160 kilómetros (100 millas).

Pero la carga total liberada por un rayo, es relativamente pequeña por el tiempo

tan corto de vida que es del orden de los microsegundos, así los valores de

carga de una sola descarga es de 7 coulombios y aún con las descargas

sucesivas, ésta no supera los 200 coulombios.

El fenómeno nos parece aislado, pero ocurre en promedio 100 veces por

segundo, sobre la tierra y la magnitud del mismo hace que cuando toca una

persona o instalación no protegida, causa daños, pero las pérdidas que

ocasiona, sobre todo en interrupciones de energía eléctrica, hacen que tenga el

nombre de dañino, aunque proporcione más beneficios, al ser el principal

abastecedor natural de nitrógeno para la tierra y de ozono para la atmósfera,

sin embargo, los daños existen y tiene probabilidad de causar muchos más y

aunque en México no se lleva una estadística.

Los cambios de dirección en un conductor de pararrayos no pueden ser

bruscos, por lo que se deben seguir ciertas normas dado que la tensión al

circular por un conductor, genera un frente de onda.

1.3 CAMPOS ELÉCTRICOS.

1.3.1 Campos Eléctricos de la Atmósfera.

Rodeando la tierra existe en la atmósfera en condiciones normales de buen

tiempo. Un campo eléctrico permanente con superficies equipotenciales

concéntricas, cuyo centro coincide con el de la tierra, siendo por lo tanto

vertical el vector de intensidad de campo (E) en cada punto.

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El sentido de este valor es tal que se dirige hacia el centro de la tierra, lo que

indica que esta última posee una carga negativa, mientras que las distintas

capas de la atmósfera son más positivas cuanto más alejadas están de la

superficie terrestre y de tal forma que el gradiente eléctrico decrece con la

altura.

Como consecuencia de la existencia de ese campo eléctrico permanente, los

iones negativos existentes se dirigen hacia arriba, mientras que los positivos

caen hacia la tierra, la resultante de estos dos desplazamientos iónicos es

llamada "corriente de conducción", dirigida hacia abajo (según el sentido

convencional de la corriente) cuyo valor medio es de 2 x l0-16 Amperes por

centímetro cuadrado (A/cm2) lo que representa una corriente total entre

atmósfera y tierra de unos mil Amperes.

Corriente de conducción puede considerarse también permanente como el

campo que la produce, variando muy poco tanto con la situación geográfica,

como con la estación, día y hora.

Independientemente de la corriente de conducción, existen "corrientes de

precipitación", llamadas así por originarlas el transporte de cargas eléctricas,

producida por las precipitaciones atmosféricas, dichas corrientes de

precipitación son en general del mismo sentido que la de conducción,

aportando también cargas positivas a la tierra, su intensidad puede llegar a ser

de 2 x l0-11 A/cm2. , o sea superior a la de conducción que es.

Al contrario que esta última variable con las condiciones de tiempo y lugar, su

valor medio resulta inferior, habiéndose estimado en unos 400 amperes.

Considerando la acción continua de estas dos corrientes, resulta a primera

vista sorprendente que la carga negativa que posee la tierra permanezca

constante y aproximadamente igual a 500,000 Coulombios.

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20

Sin embargo, este es un hecho incuestionable, demostrado por la experiencia

que obliga a admitir la existencia de otros fenómenos compensatorios sobre los

que se han establecido multitud de hipótesis, de las cuales destacan las

siguientes:

Por efecto de altas temperaturas existentes en el núcleo de la tierra. Escapa

aire ionizado positivamente por los intersticios capilares de la corteza terrestre,

que es elevado por corrientes convectivas a considerables alturas (efecto

Ebert).

1. La radiación tanto procedente de la tierra, como del sol y las estrellas, da

lugar a una ionización de las moléculas de aire. Los electrones

producidos se escapan de la atmósfera gracias a su gran movilidad

originándose por tanto una acumulación de cargas positivas en ellas.

2. Cuando las condiciones normales de buen tiempo se alteran por

distintos fenómenos atmosféricos, tales como la lluvia, nieve, granizo

nubes tormentosas, etc., se producen casi siempre inversiones del

campo eléctrico, aportando gran cantidad de carga negativa a la tierra

como consecuencia de los procesos siguientes:

Descargas continuas de electricidad positiva por las puntas de conductores

conectados a tierra, descargas intermitentes y de gran magnitud de electricidad

positiva, como consecuencia de caídas de rayos.

1.3.2 Campos Eléctricos en el núcleo de las nubes.

Entre los diferentes tipos de nubes, son los Cumulus-Nimbus, los que pueden

llegar a convertirse en nubes tormentosas que se caracterizan por desarrollarse

a base de aire húmedo y caliente que se eleva a velocidades considerables, del

orden de los 30 a 35 metros por segundo.

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Las gotas de agua arrastradas por estas corrientes convectivas llegan a

convertirse en cristales de hielo al alcanzar la altura suficiente, disminuyendo

paulatinamente su velocidad de ascensión, hasta que se inicia su caída, es

durante este descenso de los cristales de hielo, cuando se verifica por

frotamiento una separación de gran magnitud de los iones de distinto signo,

estableciéndose en el interior de la nube el campo eléctrico consiguiente, con la

distribución de carga representada (VER EN ANEXOS FIGURA 4).

A pesar de que la distribución anterior es estadísticamente la más frecuente,

existen casos, que se pueden estimar en un 10%, en que la polarización resulta

invertida. Concentrándose las cargas negativas en la parte superior de la nube,

mientras que las cargas positivas se distribuyen en su parte inferior.

1.4 FORMACION Y PRODUCCION DE LAS DESCARGAS.

Los campos eléctricos en el interior de las nubes tormentosas, hacen que la

parte inferior de éstas y el terreno sobre el que se encuentran, actúen como las

armaduras de un gran condensador, cuyo dieléctrico está constituido por el aire

existente entre ambas, lo más probable es que la base de la nube sea

negativa, con lo que se inducirán cargas electrostáticas positivas en el terreno,

aunque no se debe de olvidar que en el 10% de los casos ocurrirá todo lo

contrario.

Descartando por el momento estos casos menos probables. (VER EN

ANEXOS FIGURA 5,6) se representa el proceso más frecuente de formación y

caída del rayo, que es análogo a la descarga de un capacitor por perforación

disruptiva del dieléctrico.

De la zona de la base de la nube, en que la concentración de cargas negativas

es máxima. Parten estas hacia abajo siguiendo una serie de caminos

ramificados, llamados descargas piloto.

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22

Propagándose intermitentemente con detecciones de 10 a 12 microsegundos

entre cada dos impulsos, avanzando en cada uno de los saltos algunas

decenas de metros a velocidades del orden de los 10,000 Km. /s.

Teniendo en cuenta los tiempos de detención antes mencionados la velocidad

resultante de propagación puede estimarse en un valor de 100 a 300 km. /s.

La descarga piloto sigue su avance creciendo al mismo tiempo la intensidad

del campo electrostático inducido en el terreno, hasta que partiendo de éste se

eleva una descarga positiva llamada descarga de retorno, que va al encuentro

de la descarga piloto.

Este encuentro normalmente se origina entre los 5 y 120 metros de altura,

medidos desde el punto de salida y varía según haya o no pararrayos. Hasta

este momento el fenómeno ha sido silencioso y débilmente aluminoso, pero al

establecerse el contacto entre las descargas piloto y la descarga.

Llamada descarga principal que se manifiesta por la aparición de una

intensidad luminosa acompañada de un fuerte trueno.

Esta descarga principal está formada por una gran corriente de carga positiva,

que partiendo del terreno circular hacia arriba y siguiendo el camino recorrido

por la descarga de retorno y la descarga piloto, llega a alcanzar intensidades

del orden de los 200.000. Amperes.

Los puntos de emergencia, tales como los pararrayos, donde se manifiesta un

campo eléctrico, más intenso durante la sucesión de las últimas descargas

piloto serán los puntos donde se partirán más probablemente las descargas de

retorno y por lo tanto de los que surgirán también con más frecuencia las

descargas principales.

Page 28: Ramirez rocha

23

La primera descarga principal tiene el efecto de crear un canal fuertemente

ionizado entre la nube y la tierra. Al no quedar la nube completamente

neutralizada después de la descarga principal, aparecerán otras secundarias

que seguirán el mismo canal ionizado establecido por la descarga principal,

produciéndose alternativamente de nube a tierra y de tierra a nube, las

descargas sucesivas como se ve en (VER EN ANEXOS FIGURA 7) se

verifican a intervalos en algunas centésimas de segundo, tiempo necesario

para permitir el movimiento de las cargas eléctricas en el interior de la nube.

El rayo que comprende un cierto número de descargas, se llama múltiple. El

número promedio de descargas de un rayo es de 4 a 6, pero se han observado

algunos hasta de 42 descargas distintas, de una duración de 0.6 segundos

aproximadamente.

El proceso descrito es solamente el más probable, pero no el único posible, en

caso que la parte inferior de la nube posea una acumulación de cargas

positivas. Se inducirán en el terreno cargas electrostáticas negativas y el efecto

seria una inversión de polarización en el capacitor nube-tierra que se ha

considerado, como se ve en (VER EN ANEXOS FIGURA 8)

1.5 ESTRUCTURA ELÉCTRICA DE UNA TORMENTA.

El campo electrostático de una atmósfera, en buen tiempo y ausencia de

nubes, es prácticamente uniforme y estable, dirigido hacia abajo, porque la

superficie de la tierra ana carga negativa y la atmósfera tiene carga eléctrica

neta de signo positivo.

El medio de ese campo es de unos 120 volts por metro sobre el continente y

unos 130 por metro sobre el océano, donde la contaminación ambiental es

grande, éstos pueden aumentar mucho. Se han observado en México, D.F.,

valores de 220 por metro a nivel del suelo y en el observatorio de Kkiev en la

Unión de Estados Independientes, se han registrado valores de unos 350 volts

por metro.

Page 29: Ramirez rocha

24

El gradiente de potencial eléctrico disminuye mucho con la altura y a l0km es

apenas de un 3 % de su valor en la superficie, según las mediciones hechas

por los norteamericanos, a los 20 km los valores de ese gradiente son

sumamente pequeños, lo que demuestra que el aire a esas alturas es

sumamente conductor.

Esta conductividad se explica porque las tormentas en la troposfera pueden

afectar la transmisión de las ondas cortas que se reflejan en la ionosfera,

ocasionando desvanecimientos (fading) que se puede utilizar para localizar, los

ciclones del Caribe o los frentes fríos de los nortes.

1.6 DIFERENCIA DE POTENCIAL EN LAS DESCARGAS ATMOSFÉRICAS.

La diferencia de potencial que provoca la descarga atmosférica tiene valores

extremadamente variables y depende de numerosos factores, tales como la

altitud de la sube con relación a la tierra, las características del pararrayos, las

del edificio, la configuración de las instalaciones y otros más.

Para efectos prácticos en el funcionamiento del pararrayos y del sistema de

tierra, reviste un mayor interés, la diferencia de potencial que aparece entre el

sistema de tierra y la parte más alta del edificio o sea, donde debe estar

colocado al menos un conjunto receptor, valores que dependen de la

impedancia del conductor, o mejor dicho, tratándose de impulsos de gran

pendiente.

Para facilitar el cálculo, si consideramos que la tensión antes de la descarga es

de 10 kilovolts por metro de altura, el potencial transportado será de 200

kilovolts aproximadamente.

Page 30: Ramirez rocha

25

Estudios realizados por el Laboratorio Atmosférico Oceánico Nacional de los

Estados Unidos, situado en Colorado, después de estudiar 300 tormentas

locales, establecieron que a 4800 metros sobre el nivel del mar las descargas

atmosféricas alcanzan valores de 2400 kilovolts por metro.

Cleirici nos muestra en (VER EN ANEXOS FIGURA 9), que el 85% de los

rayos alcanzan los 30 kilovolts por metro.

1.7 LONGITUD DE LAS DESCARGAS ATMOSFÉRICAS

Estudios realizados por la Universidad Estatal de Nueva York, en Albany ,

dicen que los rayos varían en su longitud entre los 304.8 metros (1000 pies)

hasta los 160 kilómetros (100 risillas), siendo el más común el de 1609 metros

(1 milla).

Cleirici nos muestra en (VER EN ANEXOS FIGURA 10) que los rayos varían

entre los 500 y los 7000 metros Si situamos a la ciudad de México a una altura

de 2450 metros sobre el nivel del mar, entonces tendremos un gran número de

rayos cercanos a los 240 kilovolts por metro, es decir, rayos de 2350 metros (o

sea 7700 pies).

1.8 OTRAS MAGNITUDES ENERGÉTICAS.

La carga total liberada por un rayo dado el tiempo tan corto de vida que tiene,

unifica los criterios tanto de Mc Cann, Lewis y Cleirici que nos dicen que, ésta

no supera los 200 coulombios en la totalidad de la descarga y en una sola

descarga los valores que se alcanzan son del orden de los 7 coulombios que

se muestra en (VER EN ANEXOS FIGURA 11).

Se han efectuado experimentos para almacenar la carga de los rayos pero

económicamente no se ha llegado a resultados satisfactorios por lo aleatorio de

que se repita la descarga en el lugar de almacenamiento.

Page 31: Ramirez rocha

26

1.9 DAÑOS QUE PUEDE CAUSAR.

El rayo es un fenómeno que nos parece aislado, el cual lo vemos únicamente

en la época de lluvias y solo esporádicamente en la época de estiaje, pero es

un evento que se repite en un promedio de 100 veces por segundo sobre la

tierra, así la posibilidad de que cause daños es de valor apreciable.

En Estados Unidos el nivel isoceraúnico es menor, Cleirici nos dice que

estadísticas efectuadas, muestran que más de 400 personas mueren cada año

a causa de los rayos y más de 1000 resultan heridas por la misma causa, datos

del Depto. de Agricultura del mismo país nos dicen que los incendios forestales

en el período de 1930 a 1947 causaron un total de pérdidas por 2,920,000

dólares, en un total de 1200 incendios , y estos datos no incluyen el costo de

104 viviendas de propiedad privada, que fueron dañadas por estos incendios.

En. estudios realizados en Gran Bretaña en líneas de transmisión y distribución

nos muestran los incidentes por rayo provocados en 160 km. (1000 millas) para

líneas con tensiones de operación desde los once kilo-volts a 132 kilo-volts,

como se muestra en (VER EN ANEXOS FIGURA 12),

donde las líneas que tienen un tele pararrayos como son las de 132 kilo-volts

casi no tienen incidentes por rayos, esto se hace más patente en l (VER EN

ANEXOS FIGURA 13) donde las incidencias para líneas de 66 kilo-volts al

tener mejor sistema de tierra en sus torres, tienen menor incidencia de rayos.

(VER EN ANEXOS FIGURA 14), nos muestra incidencias para una misma

tensión de 11 kilo-volts, donde se hace patente la importancia del nivel

isoceraúnico y como varia ésta en un país de poca extensión territorial.

Page 32: Ramirez rocha

27

1.10 GENERALIDADES SOBRE EFECTOS DE LOS RAYOS.

El rayo que impacta en una instalación u objeto, produce efectos de naturaleza

variada caprichosa, los cuerpos no conductores, se rompen a menudo, como

por ejemplo los árboles, mientras que los conductores se funden

completamente, por ejemplo, un conductor de calibre 14, aislado con una

cubierta de goma puede fundirse por una descarga de poca duración pero de

gran intensidad, esto se puede comprobar por la cantidad de incendios de

factorías en horas no laborables, después de una tormenta eléctrica y las

causas son:

Corto circuito como si no existiera una coordinación de protección. Una

descarga con una sucesión de un máximo de comente superpuesta a un

componente continuo, puede provocar un incendio 16, estos casos también se

han repetido en laboratorios con modelos a escala por Belfashi aunque con las

limitaciones de corriente que tiene la reproducción de un rayo artificial.

1.11 CONSECUENCIAS TERMICAS DEL RAYO.

La energía térmica que se desarrolla en la descarga del rayo depende, de

acuerdo con la Ley de Joule, del cuadrado de la corriente y de la resistencia del

medio encontrado por aquella, además, naturalmente, el tiempo que dura la

descarga por lo que la expresión de la cantidad de calor producida adopta la

forma:

dtIRW 2 Formula (1.1)

Donde:

W =Energía transformada en calor (expresada en Joules, si la corriente se

mide en amperes y el tiempo en segundos; la energía puede expresarse

también en calorías; 1 caloría = 4.186 Joules .)

l =valor instantáneo de la corriente circulante en amperes.

R=resistencia del medio por el que circula la energía en ohms.

Page 33: Ramirez rocha

28

Carece, por tanto de importancia fundamental la resistencia del medio que

encuentra el rayo en su camino para descargarse a tierra dado, que fijado el

valor de la corriente, dependiente de la diferencia de potencial entre nube y

tierra, la energía térmica desarrollada será más grande, cuando mayor sea la

resistencia del medio por donde circula.

En esa forma la descarga de un rayo a través de un material de un conductor

de energía eléctrica y de sección suficiente, no desarrolla generalmente

cantidades apreciables de calor.

En caso de materiales que son malos conductores, tienen gran interés en el

examen de aquellos en que la descarga atraviesa materiales con elevado

contenido de agua, porque el calor generado provoca la evaporación

instantánea del agua contenida, la cual se evapora o se disocia de sus

elementos, provocando un fenómeno de explosión, como se ha observado en

árboles, postes de madera y muros húmedos que son impactados por un rayo.

También es necesario hacer notar que los rayos de gran intensidad pero poca

duración, provocan una destrucción de materiales pero no llega a producir

ignición, (lo que resalta la importancia de los pararrayos activos), mientras que

los de corriente modesta pero de gran duración provocan fácilmente la ignición

de los materiales.

En general, la peligrosidad del rayo que cae sobre materiales inflamables es

alta, porque como ya se vio, a la descarga principal suceden descargas

sucesivas.

Los aviones estacionados, se deben conectar firmemente a tierra para evitar

esta posibilidad, igualmente cuando se abastecen de combustible para evitar

que la descarga de electrostática pueda iniciar la ignición. La misma regla se

debe seguir en transportes depósitos de combustibles.

Page 34: Ramirez rocha

29

1.12 CONSECUENCIAS DINÁMICAS DEL RAYO.

La energía liberada por un rayo no es muy elevada, sin embargo, al ser

liberada en un tiempo muy corto (100 a 120 microsegundos), la potencia

puesta en juego alcanza valores de millares de kilowatts, por lo que las

consecuencias pueden ser importantes.

La descarga de retomo, de un rayo produce en torno a la columna de gases

fuertemente ionizados que constituyen el recorrido de la descarga, una onda de

presión de dimensiones limitadas en las que se generan presiones elevadas

que pueden destruir todo cuanto rodea al conductor principal; en el interior de

chimeneas y habitaciones, se pueden producir presiones tan elevadas que

produzcan una explosión.

El campo magnético que se forma, puede deformar estructuras y ventanas

metálicas, o el conductor de cable sufre una expansión por el campo que se

forma entre hilo e hilo del cable, por lo que se debe evitar la sujeción por

presión únicamente.

1.13 EFECTOS QUÍMICOS.

Las descargas atmosféricas son el principal abastecedor de nitrógeno para la

tierra y el rayo lo inyecta directamente al terreno; se Peterson W., también se

forma ozono alrededor del canal del rayo, el cual protege a la tierra de los rayos

ultravioleta, también por la intensidad de corriente, produce efectos galvánicos

por donde circulan en forma unidireccional.

Page 35: Ramirez rocha

30

1.14 CONCLUSIÓNES DE LAS TEORÍAS SOBRE LA FORMACIÓN DEL

RAYO.

Como se podrá ver, las teorías sobre la formación del rayo difieren entre sí, sin

embargo, la mayoría de los meteorólogos apoyan la explicación del origen de la

carga de una nube de tormenta, mediante el mecanismo hielo-gotita de agua

que es la teoría expuesta por Sil Basil Schonland.

No obstante, algunos no están de acuerdo sosteniendo que las partículas de

hielo no son necesarias para que se produzca dicha carga en las nubes. Y aun

continúan investigando cómo se forma exactamente la electricidad de la

misma.

Page 36: Ramirez rocha

31

2.0 TIPOS DE PARARRAYOS EXISTENTES

2.1 GENERALIDADES SOBRE PARARRAYOS.

PARARRAYOS: Se trata de un dispositivo acabado en punta que excita la

aparición de impulsos o efluvios durante la formación de carga de una

tormenta. Una vez excitado el rayo, el pararrayos intentará captarlo y

descargarlo a tierra por un conductor eléctrico, la energía de descarga está

catalogada como alta tensión con un potencial incontrolado y destructible.

El pararrayos se situará en el punto más alto de la instalación, al menos dos

metros por encima de la zona a proteger, lo cual proporcionará un camino de

baja impedancia que facilite el paso de la corriente y que permita del modo más

sencillo la descarga a tierra del rayo.

Algunos tipos de instalaciones a proteger

Torres de control aeropuertos.

Antenas de navegación aérea.

Antenas de televisión, telefonía móvil y radio.

Subestaciones eléctricas

Centrales nucleares.

Hospitales.

Industrias petroquímicas

Gasolineras.

Barcos.

Edificios públicos.

Torres de alta tensión

Casas particulares.

Page 37: Ramirez rocha

32

2.1.1 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

explosivas que 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.

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

las corrientes generadas por la descarga eléctrica atmosférica.

Page 38: Ramirez rocha

33

Pararrayos es el dispositivo más usado para la protección contra descargas

atmosféricas y son utilizados en los edificios, transformadores y equipo

eléctrico; colocados en la parte más 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.

a) Opera con sobre tensiones en el sistema permitiendo el paso de las

corrientes del rayo y sin sufrir daño.

b) Reduce las sobre tensiones 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

1.2FormulaVKV ffen

Donde:

V n Tensión nominal de pararrayos en kv

Ke = Factor de corrección a tierra

V ff Tensión de línea a línea

El factor Ke se refiere a la forma en que se encuentra conectado a tierra, la

instalación eléctrica del sistema, considerando que una falla de línea a tierra,

es lo que produce una sobre tensión en las fases no falladas.

Page 39: Ramirez rocha

34

2.1.2 Radio de protección de un pararrayos

El radio de protección de un pararrayos depende de su altura respecto a la

superficie a proteger. Altura: Es la distancia entre la punta final del pararrayos y

el punto que se desea proteger. El radio de protección se calcula con la

siguiente formula y se ejemplifica en (VER EN ANEXOS FIGURA 15)

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 del pararrayos 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, en sincronía con la aproximación del rayo, proporciona una vía de

descarga a tierra controlada y segura.

2.2.3 Clasificaciones de los pararrayos

ACTIVOS: generan la ionización y excitación por impulsos de alta tensión

superiores a 10 KV en la punta, este fenómeno se representa a partir de un

valor del campo eléctrico- atmosférico natural.

El objetivo de este proceso es intentar excitar y captar la descarga del rayo,

conducir todo su potencial de alta tensión a tierra por un conductor activo

instalado, con el resultado de la sobre tensión e inducción generada.

El resultado es una corriente de defecto alta tensión que circula por un

conductor desnudo, superando la energía de descarga del rayo.

Tratan de facilitar el camino del rayo positivo, dirigiéndolo o provocando un

camino de baja resistencia, actúa con el gradiente electrostático de la

atmósfera, descargando el lugar donde se encuentran instalados, evitando que

ocurra el rayo en ese sitio, convirtiéndose en preventivos, además el encuentro

Rigoberto Herrera
Resaltado
Rigoberto Herrera
Resaltado
Page 40: Ramirez rocha

35

entre el rayo positivo y negativo se realiza más alto, alejando con ello el punto

de mayor temperatura de la descarga atmosférica.

Este fenómeno puede crear en momentos críticos durante la descarga,

corrientes de contacto con intensidades de defecto superiores a las permitidas

consideradas como muy graves que pueden afectar a la seguridad de las

personas

PASIVOS: Concentran la ionización y excitación constante del rayo en la

punta, estos descargan en el terreno donde están instalados únicamente por

efecto de puntas por lo que materialmente "esperan" el rayo para disiparlo a

tierra, por lo que tienen mayor probabilidad de impacto por rayo.

2.1.4 Elementos que constituyen un pararrayos

Cualquiera que sea el tipo de pararrayos adoptado para la protección de un

edificio o instalación, estará formado por los siguientes elementos básicos:

Elemento receptor: colocado en la parte más alta del edificio. Puede estar

constituido por puntas metálicas o conductores dispuestos de varios modos

según las dimensiones y la estructura de la instalación para proteger. 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 (VER EN ANEXOS FIGURA 16 “A”)

Conductor a tierra,: puede estar formado por dos o varios conductores y tiene

la misión de transportar a tierra la corriente del rayo, según el camino

perfectamente determinado y de baja impedancia, pasando por la parte exterior

del edificio, que queda así, fuera de peligro. La realización práctica de estas. La

realización práctica de estos elementos debe de efectuarse teniendo 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 (VER EN ANEXOS FIGURA 16 “B”)

Page 41: Ramirez rocha

36

Electrodos a tierra: 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 (VER EN ANEXOS

FIGURA 16 “C”) Existen en la actualidad para el cálculo y diseño de estos

electrodos a tierra, así como procedimientos de medición de la resistencia,

lograda. Se ha desarrollado también algunos productos que pueden usarse

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

tierra.

2.2 ESTRUCTURA DE UNA INSTALACION DE 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: (VER EN ANEXOS FIGURA 17)

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.

Page 42: Ramirez rocha

37

1.-Localización de la posición de las puntas.

La 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.

Rigoberto Herrera
Resaltado
Page 43: Ramirez rocha

38

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 90 cm.

Para fijar las abrazaderas se usaran elementos apropiados al medio

ambiente en él 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

este en el máximo contacto con humedad.

7.-Instalación de los electrodos

Varillas o bayonetas:

Page 44: Ramirez rocha

39

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

bueno, o sea, que a través de ta 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.

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 cisco de

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 su

desconexión del sistema para poder llevar a cabo lecturas del valor de su

resistencia a tierra.

Normalmente es recomendable la instalación de un 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.

Page 45: Ramirez rocha

40

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.

2.2.1Los materiales necesarios para la instalación de un sistema son los

siguientes:

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

EN ANEXOS FIGURA 18)

B) Conductores

Estos pueden ser de dos tipos, pudiendo ser:

Cable de cobre desnudo de 11.9 mm. de diámetro. para edificios con

altura menor o igual a 23 m, (VER EN ANEXOS FIGURA 19).

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

mayor de 23m. (VER EN ANEXOS FIGURA 20).

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

doble paso a tierra desde cada punta.

Page 46: Ramirez rocha

41

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.

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 total de 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 y serán

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 EN ANEXOS FIGURA 18, 19,20).

2.2.2 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 a)

mismo, deberán ir ligados a estas instalaciones por medio de abrazaderas y

conectores especiales (VER EN ANEXOS FIGURA 21).

Page 47: Ramirez rocha

42

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 23).

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.

Page 48: Ramirez rocha

43

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.

D) Instalación

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

menos de 60 cm. de !a 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.

2.3 PARARRAYOS DE FRANKLIN.

Benjamin Franklin fue el pionero del desarrollo de la protección contra las

descargas atmosféricas y también fue el primero que demostró en una forma

fehaciente la naturaleza eléctrica de los rayos, en base a sus investigaciones,

fue también el primero que buscó la forma de protegerse efectivamente contra

dichos fenómenos, inventando el primer pararrayo, estableciendo las bases

técnicas para su desarrollo, instalando el primero de estos sistemas de

protección en un edificio de Philadelphia en los Estados Unidos de América en

el año de 1752.

El pararrayo de Franklin, consta de una barra metálica cilíndrica, de tres metros

de longitud y con un diámetro de 13 mm.

Rigoberto Herrera
Resaltado
Page 49: Ramirez rocha

44

El receptor colocado verticalmente, termina en una punta muy aguda,

conectada a tierra mediante un conductor de hierro. Este pararrayo se clasifica

dentro de los pasivos, su eficiencia disminuye con la altura. En principio se

puede decir que su ángulo de protección es de 45 grados (VER EN ANEXOS

FIGURA 24) sin embargo, para compensar la disminución de la eficiencia, en

algunas instalaciones en que se utiliza este tipo de pararrayos, se coloca una

punta principal en la parte más alta de la construcción a proteger y algunas

secundarias que aumentan la eficiencia de la protección.

En el año de 1890, los franceses instalaron pararrayos en México, con una

serie de 4 o 5 puntas, donde la única punta que actúa es la superior, las

laterales se colocaron, por la serie de fallas que presenta este tipo de

pararrayos, al no tener en cuenta el efecto superficial de la comente alterna.

Este tipo de pararrayos se muestra esquemáticamente en (VER EN ANEXOS

FIGURA 25), aunque tiene muchas variantes de configuración, todas

terminadas en punta aguda, colocada en ¡aparte más alta de la instalación a

proteger, la podemos ver en casi todos los edificios públicos de hace algunos

años. En algunas regiones del país es muy común todavía su venta, a pesar de

sus deficiencias.

En la subestaciones de la C. F. E, al igual que en muchas subestaciones

industriales se utilizan las barras soldadas a la estructura, donde la punta

puede ser roma o puntiaguda, como otra variante de este tipo de pararrayos

2 .4 PARARRAYOS DE MELSENS.

En el año de 1875, Melsens utilizó en Bruselas un tipo de pararrayos formado

por una jaula de conductores (jaula de Faraday), en la parte superior, de la cual

dispuso numerosas puntas reunidas en un haz sobre una barra.

Rigoberto Herrera
Resaltado
Rigoberto Herrera
Resaltado
Rigoberto Herrera
Resaltado
Rigoberto Herrera
Resaltado
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45

Este sistema se ha perfeccionado después con la intención de reducir la

extensión y número de las mallas de la jaula, mientras que se pensaba lograr

que las puntas múltiples aumentaran la dispersión de las cargas eléctricas en la

atmósfera. Tales previsiones resultaron fallidas, según afirma Cleirici, y la

eficacia protectora ha de buscarse más bien en la jaula que en la existencia de

las puntas.

Este es el sistema más común en México, y está basado en las normas de la

NFPA y UL de U.S.A., por la gran cantidad de puntas que es necesario utilizar

(una cada 3 o 6 metros según la norma 2371), hacen que la inversión inicial

sea elevada, como se ve en el análisis de costos, además de que en México,

se utilizan dos o más metales en su construcción, lo que provoca un rápido

envejecimiento del sistema, aumentando su mantenimiento y por tanto el costo.

Otro inconveniente de este sistema es que según las normas, se deben colocar

en todos los pretiles, por lo que se desprecia el ángulo de protección que

pudiera generar el conductor, o bien las puntas, lo que hace que el uso de

material se eleve y por tanto el gasto inicial.

Las normas NFPA y UL de U.S.A., están basadas en datos experimentales de

Estados Unidos, además están adoptadas al tipo de construcción de ese país,

pero no se toma el nivel isoceraúnico de México, además aquí es otro tipo de

construcción, por lo que no son aplicables en toda su extensión. (VER EN

ANEXOS FIGURA 26) se muestra un edificio protegido con este sistema y en

(VER EN ANEXOS FIGURA 27) se muestran varias formas de puntas para

este tipo de pararrayos.

El tipo de sujeción utilizado es por medio de grado de presión, esto lo

consideramos inconveniente porque el conductor de cable, por efecto

magnético o térmico al conducir la energía de un rayo sufre expansión

provocando con ello que el contacto entre grapa y conductor ya no sea tan

firme, aumentando la impedancia del sistema sobre todo en la reflexión de la

onda y en las descargas sucesivas.

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46

Este pararrayos, también del tipo de los pararrayos pasivos, es en sí una

variante de la Jaula de Fadaray, a la cual Melsens le agregó en la parte

superior numerosas puntas distribuidas.

Posteriormente se trató de mejorar el sistema de Melsens, tratando de reducir

la extensión y número de mallas de la jaula, intentando dispersar con las

puntas múltiples la carga eléctrica de la atmósfera, pero no se lograrán

resultados satisfactorios de acuerdo con Cleirici, quien afirma que la efectividad

de la protección se logra más bien con la jaula que con las puntas. Figura 26.

2.5 PARARRAYOS PASIVOS.

Algunos de estos métodos sólo tiene hoy importancia histórica al haber sido

superados, tales como el pararrayo de Kleckner y el de Brown mostrados en

(VER EN ANEXOS FIGURA 28,29) de los años 1875 y 1883 son fotocopias de

las patentes en los Estados Unidos.

2.6 PARARRAYOS DE JAULA.

La conocida "Jaula de Faraday", experimento físico, Según el cual, en el

interior de una envoltura metálica cerrada y conectada a tierra, y disponiendo

de instrumentos de gran sensibilidad (electrómetros y electroscopios), no se

dejan influir por ningún fenómeno eléctrico por intenso que sea, cuando éste se

produzca en el exterior o en la propia superficie de la envoltura metálica, nos

da la idea de un pararrayos ideal.

Page 52: Ramirez rocha

47

Así, un edificio con revestimiento exterior completamente metálico y conectado

firmemente a tierra, queda protegido contra descargas atmosféricas, se obtiene

una buena protección si la cubierta metálica se substituye por una malla o red

de conductores, pero por razones económicas la red no puede ser muy

cerrada, además de que debe buscarse la estética del edificio para no dañar la

arquitectura del mismos, por lo que la red superior puede hacerse cerrada,,

reduciendo solo los conductores de bajada, (VER EN ANEXOS FIGURA 30)

se muestra un edificio con este sistema de protección. Se le puede considerar

el pararrayos pasivo, que espera el rayo para disiparlo a tierra, al no tener

efecto de puntas.

La máxima protección se logra con una cubierta laminar, sin embargo, por

razones de costo, se prefiere usar mallas las cuales se hacen muy cerradas en

la parte superior de los edificios y más abiertas en la parte inferior y aún más

abiertas en las partes laterales, las cuales van conectadas.

2.7 PARARRAYOS ACTIVOS.

Dentro de los pararrayos activos se pueden considerar 2 modelos básicamente:

el radiactivo y el de efecto corona.

Analizaremos primeramente el radiactivo por ser el más conocido sabiendo que

el de efecto corona está basado en la experiencia adquirida con el radiactivo.

2.8 PARARRAYOS RADIACTIVOS.

El húngaro Szillard fue el primero que pensó en la aplicación de materiales

radiactivos para provocar una excitación artificial de la atmósfera y una

producción de iones, con fines de protección contra los rayos. Para ello fabricó

un pararrayos formado por una barra de 4 metros de altura, encima de la cual

colocó un plato con dos miligramos de bromuro de radio.

Page 53: Ramirez rocha

48

Las observaciones experimentales realizadas con este tipo de pararrayos,

llevaron a la comprobación de que la cantidad de iones emitidos por este tipo

de pararrayos, era superior a la de una punta normal. Los estudios del profesor

Szillard permanecieron durante mucho tiempo privado de aplicaciones

prácticas por dos razones fundamentales:

a) A pesar de que la emisión de iones es mayor que la de una punta

normal de pararrayos sistema Franklin, la cantidad de electricidad que

este pararrayo es capaz de disipar en la atmósfera sigue siendo

insuficiente para lograr una acción preventiva eficaz.

b) La necesidad de emplear material radiactivo costoso, hacia este tipo de

pararrayo de escaso interés práctico.

Ha sido posible aumentar la cantidad de iones producida por el pararrayos

radiactivo, y limitar simultáneamente la cantidad de material radiactivo

necesario, aplicando al pararrayo un dispositivo de aceleración.

La función específica del pararrayo radiactivo es: producir un elevado número

de iones y dirigirlos hacia arriba, evitando que se acumule carga en el terreno

donde está instalado, con el fin de evitar el rayo positivo o la atracción del rayo

negativo (VER EN ANEXOS FIGURA 31)se muestra un esquema de la

constitución y funcionamiento del pararrayo radiactivo.

La materia radiactiva depositada en el ionizador emite en forma continua la

radiación específica del material que se trate pudiendo ser cualquiera de las

tres radiaciones básicas alfa, beta o gamma.

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49

En México, el material radiactivo utilizado en el ionizador, es el radio 226 con

vida media de 1,600 años, con emisión alfa de 4.5 MeV y el Americio 241 con

vida media de 433 años y emisión alfa de 5.5 MeV , ambos con poca

penetración por ser emisiones alfa, por lo que hay que depositarlos con una

protección muy delgada para obtener una mejor ionización, resultando

peligroso para usuarios, por lo que hizo que pasaran a control del Instituto

Nacional de Energía tanto para localización como para mantenimiento y su uso

fue prohibido por la a de Salubridad y Asistencia en 1968.

El acelerador atmosférico, es un anillo equipotencial, conectado eléctricamente

al asta central, con soportes horizontales, y este actúa con el gradiente

electrostático de la atmósfera que como veíamos en el capítulo anterior, figura

9, provocando una diferencia de potencial que acelera los iones y electrones

que se encuentran entre el asta y anillo. Hasta el punto de provocar una

ionización por choque Tiene también un segundo anillo deflector, que centra los

iones provocando flujos dirigidos hacia la nube, pero resulta ineficiente para las

cargas electrostáticas muy rápidas por ser ionización de choque, dando como

resultado que en las descargas sucesivas la ionización disminuye, actuando

solamente al asta central. Como pararrayos pasivo.

En (VER EN ANEXOS FIGURA 32) se muestra un pararrayos del italiano

Donelli. Donde se ve, que el sostén del anillo es un aislante colocado en forma

horizontal. Pero el aislante superior que contiene material radiactivo, no tomo

En consideración el flameo que pueda ocurrir en una descarga atmosférica lo

que aumenta el riesgo de desprendimiento de material radiactivo.

En (VER EN ANEXOS FIGURA 33) se muestra otro tipo de pararrayos

denominado sistema Dipolo que tiene dos anillos equipotenciales, sostenidos

horizontalmente, de diferente dimensión. El ángulo de protección que genera

este tipo de pararrayos es de 71 grados según dice su fabricante.

Page 55: Ramirez rocha

50

El ángulo de protección que genera depende del anillo equipotencial

básicamente, ya que la cantidad de iones producidos por el material radiactivo

es prácticamente constante y no depende más que de la cantidad de materia

radiactiva depositada.

Otra desventaja del pararrayo radiactivo es que las partículas materiales

ionizadas, son susceptibles de ser conducidas por el viento en diferentes

direcciones, hasta el punto de que la atmósfera ionizada por el pararrayos, pero

de forma y dimensiones muy variables según la intensidad y la dirección del

viento, lo cual da la probabilidad de falla. Algunos ejemplos de pararrayos

radiactivos en la Ciudad de México, están en

El Museo de Antropología e Historia en su fuente principal, en los edificios de

Tlatelolco, en el depósito de combustible del Aeropuerto Internacional de la

Ciudad de México y otros.

El Modelo de pararrayos empleado es el Copart, que se muestra en (VER EN

ANEXOS FIGURA 34), es fotocopia de la patente en Estados Unidos y en el

que el acelerador, es el plato hedor del material radiactivo.

2.9 PARRAYOS DE EFECTO CORONA.

El pararrayos de Efecto Corona, es otro tipo de pararrayos que evita la

acumulación de cargas eléctricas en el lugar donde está instalado, esto lo logra

porque al igual que el radiactivo, tiene también un anillo equipotencial o

acelerador atmosférico alrededor de su núcleo, pero este no contiene material

radiactivo, solo suma el efecto del anillo equipotencial al efecto de puntas que

tiene todo pararrayos.

Page 56: Ramirez rocha

51

El anillo equipotencial de éste tipo de pararrayos se diferencia del radiactivo en

que su sección no es circular, sino que es recto en su parte interna, por lo que

el campo electromagnético que genera, no es circular, siendo mayor en la parte

interna, es decir, lo que esta junto al núcleo, como se ve en (VER EN

ANEXOS FIGURA 35), logrando con ello mayor eficiencia en la emisión de

iones, cuando aumenta el gradiente electrostático en la dirección de la punta

del pararrayos, logrando con ello, guiar el rayo positivo que brota de la tierra.

En l(VER EN ANEXOS FIGURA 36) vemos que el conductor no puede tener

cambios bruscos de dirección, por el mismo frente de onda que se genera, sin

embargo, en los pararrayos radiactivos, el sostén de los anillos es horizontal,

es decir, el flujo de la corriente tiene que hacer un cambio en la impedancia

total del conjunto receptor. En el pararrayos de Efecto Corona el sostén es por

medio de anillos que tienen el ángulo de tensión del frente de onda o sea 33

grados, con respecto del núcleo lo que reduce la impedancia del conjunto

receptor y al mismo tiempo, aumenta el flujo de corriente hacia el anillo

equipotencial, logrando con ello que el campo eléctrico resultante en la punta,

se incremente, al igual que el efecto de puntas y el Efecto Corona, supliendo

así el material radiactivo, que ioniza la atmósfera. Además en comparación de

la influencia del viento con respecto al radiactivo, en este caso es menor por

ser eléctricamente activo y no materia ionizada.

El ángulo de protección generado por el anillo equipotencial, es en este tipo de

pararrayos de 60 grados, lo que aumenta en 15 grados al de Franklin. Este

pararrayos tiene también elementos para la carga sucesiva, teniendo en cuenta

el efecto superficial de la corriente alterna, para lo cual tiene el ángulo A de la

(VER EN ANEXOS FIGURA 37) que desvía parte de la corriente al anillo

equipotencial, provocando con ello interferencia en el flujo total de energía en el

conductor y cuando sucede la descarga sucesiva ascendente, actúa

nuevamente el anillo, incrementando el campo eléctrico. Se pude usar este tipo

de pararrayos, solo con el radiactivo o en combinación con la Jaula de Faraday

como el Melsens.

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52

Si se utiliza con la Jaula de Faraday la separación entre puntos es de 30

metros, de que descarga en forma continua la jaula por lo que es la

combinación que se utilizaría.

En (VER EN ANEXOS FIGURA 38) se muestra una edificación con el

pararrayos de Efecto Carona m el que si se toma en cuenta el ángulo que

genera el pararrayos, ahorrando con ello conductor y conjuntos receptores. Si

se utiliza sólo puntas elevadas, se toma en cuenta el ángulo de protección de

60 grados.

Al no utilizar material radiactivo, se tiene un ángulo de protección de 60 grados

y f, tinte elementos para la descarga sucesiva, consideramos a este último tipo

de pararrayos mejor que los anteriores.

2.10 PARARRAYOS MAGNETIZADOS

Este es un pararrayos tipo DIPOLO que ha sido diseñado y construido para

conducir eficazmente a tierra descargas electrostáticas de tipo atmosférico,

comúnmente llamadas rayos, con el fin de evitar que estas descargas causen

daños personales y materiales.

El pararrayo consiste de una barra de fierro sólido cuya superficie está

niquelada y cuyo extremo superior termina en punta. Por debajo de esta punta

se encuentra un disco de fierro cubierto con material plástico y en el extremo

inferior de la barra se encuentra un manguillo de hule vulcanizado que tiene por

objeto aislar de la barra del mástil que soporta por debajo de este manguillo se

encuentra un dispositivo de conexión para conectar el cable que une el

pararrayos con los electrodos de conexión a tierra.

Todos los elementos que integran el pararrayos están magnetizados. Esta

magnetización produce un campo magnético de gran densidad, el cual

amortigua la descarga atmosférica y la conduce a tierra a través del cable y

electrodos anteriormente mencionados, evitando la dispersión iónica que

pudiera causar daños personales o materiales.

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53

3.0 DISEÑO DEL SISTEMA DE PROTECCIÓN.

3.1 CONSIDERACIONES PARA EL DISEÑO.

Las consideraciones que regirán para la construcción de éstos sistemas de

pararrayos, son las que se detallan a continuación. En su mayoría, han sido

tomadas de las correspondientes a la "N.F.P.A" National Fire Protection

Association" y "U.L." "Underwriters Laboratories Inc." de los Estados Unidos;

adaptadas a nuestras necesidades así como a la disponibilidad de nuestro país

de materiales de uso.

Adelante, en forma condensada, se indican los puntos básicos de estas

disposiciones, por lo tanto de acuerdo a ellas, se deberán interpretar los planos

de proyecto. En ningún caso se aceptaran modificaciones o substiciones

basadas en sistemas de teorías diferentes.

Si durante la construcción fuera necesario modificarse la localización de algún

elemento, recorrido de conductores ya sea en azotea o en bajadas, o

electrodos de tierra, estas modificaciones deberán hacerse de acuerdo con la

especificación aquí indicada y previa la solución de la dirección de la obra.

3.2 DIFERENTES TIPOS DE EDIFICIOS A CONSIDERAR PARA LA

PROTECCIÓN CONTRA DESCARGAS ATMOSFÉRICAS.

Para el objeto de estas normas, se puede considerar que los edificios se

dividen en dos categorías cada una en dos tipos diferentes.

Clasificación general.

1. Basada en la altura de los edificios.

2. Basada en la pendiente de los techos.

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54

Subdivisiones.

1. La clasificación basada en la altura de las construcciones considera dos

tipos diferentes:

a) Edificios de clase I.

b) Edificios de clase II.

Un edificio de clase I es todo edificio con una altura inferior a 23 metros. Un

edificio de clase II es aquel cuya altura rebasa los 23 metros, o bien todo

edificio que tiene una estructura de acero, de cualquier altura, cuya estructura

puede sustituir los conductores de bajadas a tierra.

La distinción, determina el tipo de conductor que se debe usar ya que los

conductores para las estructuras de clase II son de dimensiones más grandes y

de conductancia más alta que los valores mínimos permitidos en los edificios

de clase I.

2. En lo referente a la inclinación o pendiente de los techos, estos quedan

clasificados en los dos tipos que se indican a continuación.

a) Techos o azoteas planos o de pendiente ligera.

Estos son todos aquellos que, no exceden 2 metros de ancho y cuya

inclinación es menor de 1/8. Están considerados dentro de esta misma

categoría los que sobrepasan los 12 metros de ancho, con una pendiente de

1/4 ó menos.

b) Techos inclinados.

Son todos aquellos que tienen una inclinación mayor a las indicadas en el

párrafo anterior.

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55

3.3 ESPECIFICACIONES.

Una vez definido y clasificado el edificio a proteger: las especificaciones que

regirán para su protección contra descargas atmosféricas serán las que se

detallan a continuación y serán aplicadas de acuerdo con la clasificación que le

corresponda.

Estas especificaciones se dividen en dos:

A. Especificaciones sobre materiales

B. Especificaciones sobre instalaciones.

3.3.1 A.-Especificaciones sobre materiales.

Generalidades.- Los materiales empleados en el sistema de protección contra

descargas atmosféricas deben ser resistentes a la corrosión y han de estar

debidamente protegidos contra ella. No utilizará combinación alguna de

materiales que formen un par eléctrico de tal naturaleza que la corrosión se

acelere en presencia de humedad.

Los pararrayos deberán estar construidos con los siguientes materiales:

a) Cobre. Cuando se use cobre, el mismo deberá ser de la calidad que

normalmente se exige para los trabajos eléctricos industriales,

generalmente especificados teniendo 95% de conductividad.

b) Aleaciones de cobre. Estas deberán ser, sustancialmente, tan

resistentes a la corrosión como el cobre en igualdad de condiciones.

c) Diseño. Los diseños de los materiales que se utilicen en protección

contra rayos deberán ser los que permiten el mejor aprovechamiento de

los materiales y que, además, sean adecuados para cada función

determinada. Su diseño será especialmente para pararrayos.

Page 61: Ramirez rocha

56

En ningún caso se aceptaran improvisaciones con materiales diseñados y

construidos para otros fines.

A-1 Terminales aéreas o puntas.- Las terminales aéreas, deberán ser

fabricadas con varilla maciza de cobre electrolítico.

Su diámetro será de 13 milímetros y el largo de las mismas habrá de ser tal

que su extremo cónico quede a menos de 25 centímetros del objeto que haya

de protegerse.

Las terminales aéreas estarán soportadas por bases fundidas y sujetas

directamente a ellas, mediante una cuerda roscada de no menos de 5 hilos,

para su mayor conservación y presentación, deberán ser niqueladas o

cromadas.

Cuando se unen terminales aéreas de más de 60 metros estas deberán quedar

sustentadas por tripies unidos en forma rígida y permanente al edificio.

El punto de sustentación de estos tripies con las terminales deberá quedar

cuando menos a la mitad de su altura (VER EN ANEXOS FIGURA 38 Y 39).

A-2.-Conductores.- Los conductores que se emplearán para estas

protecciones, deberán estar diseñados y fabricados especialmente para

pararrayos. Estarán trenzados con alambres de cobre suave del calibre

indicado adelante, y deberán también ofrecer en peso y conductividad lo que

señalan estas especificaciones; para usarse en edificios clase I o clase II ,

según sea el caso.

No se aceptarán conductores de cobre duro o semi-duro normalmente usados

para sistemas de tierras u otros usos eléctricos.

Los conductores para interconexión, de sistema metálicos, de conducción de

agua, de calefacción por agua caliente, o bien masas metálicas que tengan

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57

baja resistencia a tierra, deberán tener la misma medida que el conductor

principal.

Requerimientos mínimos de conductores

CONCEPTO

EDIFICIOS

CLASE 1

EDIFICIOS

CLASE ll

CALIBRE MINIMO DE

CADA HILO

17 AWG.

15 AWG.

PESO POR METRO

LINEAL

278 GRS.

558 GRS.

CONDUCTIVIDAD

57,400 CM.

115,000 CM.

AREA

29 mm2

58 mm2

A-3.- Bases, conectores y desconectadores.-Todo el material

empleado en estas instalaciones para cruces, derivaciones y

empalmes, así como las bases para terminales aéreas, abrazaderas

para tierra y desconectadores de tierra deberán ser fundidos en alguna

aleación de cobre con un espesor mínimo, de 2.38 mm2

A-4.- Terminales a tierra o electrodos.- Las terminales a tierra

deberán ser de acero chapado con cobre, de cobre macizo o de acero

inoxidable de 13 mm de diámetro y de 2.44 mts. De largo, como

dimensiones mínimas o bien rehiletes construidos con lámina de cobre

cal. 20 como mínimo, y una superficie de contacto no menor a 0.20 m2.

Page 63: Ramirez rocha

58

A-5.-Abrazaderas para cable.- Las abrazaderas para sujetar los

conductores deberán ser resistentes a toda rotura, y deberán ser, junto

con los clavos, tornillos o pernos con que se fijen, del mismo material que

el conductor.

A-6.-Prevención de daños mecánicos.- Cuando cualquier parte de un

sistema de protección este expuesto a daños mecánicos, deberá

protegérsele recubriéndola con una cubierta moldeada o tubería.

Si en torno del conductor se utilizan tubos o conductos de un metal ferroso,

el conductor deberá estar eléctricamente conectado por sus extremos a la

tubería o ducto.

3.3.2 B. Especificaciones sobre instalaciones

B-1-A: Instalación de terminales aéreas o puntas en techos inclinados.

Las terminales aéreas se deberán colocar en la cumbrera de los

techados, a intervalos de no más de 6.00 m., salvo cuando se trate de

terminales aéreas de 0.60 m. o más altas, a las que se podrá colocar a

intervalos no mayores de 7.60 m. Las terminales aéreas deberán colocarse

a 0.60 m. o menos de los extremos de las cumbreras o los bordes v ángulos

de los techados (VER EN ANEXOS FIGURA 40)

B-1-B Instalación de terminales aéreas o puntas en azoteas planas o de

pendiente ligera.

En las azoteas o techos de pendiente ligera, las terminales aéreas

deberán ir localizadas en torno al perímetro

Cuando se trate de edificios que excedan los 15 m. de ancho, deberán

además llevar terminales aéreas adicionales a intervalos no mayores de

15 m. en las zonas intermedias.

Los intervalos entre terminales no serán mayores de 6 m. en los perímetros

y de 15 m. en las zonas intermedias.

Page 64: Ramirez rocha

59

Como en el caso anterior, cuando se usen terminales aéreas de 0.60 m., los

intervalos de los perímetros no deberán ser mayores de 7.60 m. Los techados

con pendiente ligera son los que tienen una extensión de 12 m. o menos y una

pendiente de 1/8 o los que tienen una anchura de más de 12 m. y una pendiente

de 1/4 o menos (VER ANEXOS FIGURA 41).

B-I-C Instalación de terminales aéreas en salientes con techos inclinados.

Los salientes que tienen la misma, o mayor altura que el techado principal,

deben protegerse con terminales aéreas, cable, conductores de bajadas y toma

de tierra en la forma normalmente especificada. Los salientes localizados

abajo de la cumbrera principal necesitan protección en todas las superficies

que sobresalgan de una zona de protección, según relación de 2 a 1(VER

ANEXOS FIGURA 42).

B-1-D Instalación de terminales aéreas en azoteas con salientes en sus

perímetros.

Cuando existen salientes en los perímetros de las azoteas planas, se

considerará que el borde de la azotea es continuo, y se colocarán terminales

aéreas a una distancia no mayor de 0.60 m, de las salientes más prominentes

del borde del techado, (VER ANEXOS FIGURA 43).

B-1-E Protección proporcionada por terminales aéreas instaladas sobre

edificios o niveles altos a zonas situadas en niveles más bajos.

Se considera que los edificios que no rebasan los 7.50 m. sobre el nivel del

suelo, protegen las zonas situadas en niveles más bajos formando una zona

de protección, según una relación de 2 a 1, (VER ANEXOS FIGURA 44).

.

Page 65: Ramirez rocha

60

Para las construcciones hasta de 15 m. de altura sobre el nivel del suelo, se

considera que estas ofrecen también una zona de protección en la misma forma

que para el caso anteriormente mencionado, pero con una relación de 1 a 1,

(VER ANEXOS FIGURA 45).

Se considera también que los edificios, que rebasan los 15 m. sobre el nivel

del suelo, protegen las partes situadas en niveles más bajos, si estas se

encuentran localizadas dentro de una área situada debajo de un arco de 45 m.

de radio, cuyos ~os quedan tangentes al punto más elevado del edificio y al

terreno, (VER ANEXOS FIGURA 46).

B-1-F Instalaciones de terminales aéreas en cubos de luz o superficies

abiertas en azoteas.

El perímetro de extensiones abiertas, tales como cubos de luz o mecánicos

que estén situados en azoteas, deberán quedar protegidos si su perímetro

mide más de 92 m., o bien siempre que cualquiera de los lados de la

extensión abierta rebase 15 m., sobre el nivel del suelo.

B-1-G Instalación de terminales aéreas en techos curvos en forma de

Cúpula.

En la cima de la curva o en la cúpula de un techo rematado en una cúpula

se colocará una o varias terminales aéreas, según sea necesario para que

establezcan una protección de zona de acuerdo con la relación 1 a 2.

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61

B-1-H Instalación de terminales aéreas en chimeneas y ventilas.

En todas las chimeneas habrán de colocarse terminales aéreas, inclusive en

las chimeneas y ventilas metálicas prefabricadas cuya lámina metálica tenga

un espesor menor a los 4.80 mm (3/16 de pu1g.), cuando tales chimeneas o

ventilas no estén dentro de una zona de protección según una relación de 2 a

1 de una Terminal aérea.

Si el metal tiene un espesor superior a los 4.80 mm (3/16 de pulg.), solo se

necesitará interconectarlo al sistema.

Las terminales aéreas para chimenea se colocarán de modo que ninguna

arista de la chimenea esté a más de 0.60 m. de una Terminal aérea, (VER

ANEXOS FIGURA 47).

B-2 Instalación de conductores en techos y azoteas.

B-2-I-A Tendido de conductores en techos y azoteas.

Los conductores ligarán entre sí todas las terminales aéreas, y deberán

formar un sendero de doble dirección horizontal o descendente, desde cada

una de las terminales aéreas hasta las conexiones con terminales a tierra.

Los conductores deberán tenderse en un plano horizontal a lo largo de

cumbreras, de techados abovedados en tomo del perímetro de techados

planos; detrás o en lo alto de parapetos, y a través de extensiones planas de

azoteas.

B-2-1-B Eliminación de desniveles.

El recorrido de los conductores deberá ser siempre horizontal o descendente,

libre de cualquier desnivel en forma de "U" o en "V", tanto hacia arriba

como hacia abajo.

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62

Estos desniveles que a menudo se presentan con chimeneas, lucernas u otras,

deberán de estar previstos de un conductor de bajada desde la parte inferior del

desnivel a tierra o al conductor principal, (VER ANEXOS FIGURA 48).

B-2-1-C Curvas ligeras.

Ninguna curva de conductor deberá formar un ángulo de más de 900 grados,

ni tener un radio de curvatura de menos de 20 cm.

B-2-1-D SOPORTES Y EMPALMES.

Soportes

Los conductores pueden tenderse en forma aérea sin soporte, en distancias de

0.90 m. o menos. Por medio de una varilla de 15.90 mm. ( 5/8 de pulg. ) o su

equivalente.

Firmemente sujeta en cada extremo, sirviendo de soporte, puede tenderse en

forma aérea un conductor hasta una distancia que no rebase los 1.80 m.

Empalmes.

En todos los empalmes de conductores, tanto " a tope ", como en "T" o en "Y",

habrán de utilizarse conectores "rectos" o "T" y deberán de soportar una

prueba de tracción de 900.00 kgr.

Dentro de los requisitos para la clase l son aceptables los empalmes con

conectores, tanto de tipo plegado como con tomillos de metal estampado o

colado. En instalaciones clase II, no habrán de usarse empalmes con

conectores tipo plegado.

Page 68: Ramirez rocha

63

B-2-1-E Tramos transversales en techados.

Los techos planos o de pendiente ligera cuyas dimensiones excedan de 15

m. de ancho y 45 m. de largo, deberán llevar además del conductor principal

de perímetro, tramos adicionales de conductor de las mismas

especificaciones, localizadas en forma tal, que dependiendo de las

dimensiones del techo, formen una malla ligada al conductor perimetral cuyos

rectángulos que la constituyen no excedan de 15 m. por 45 m., figura 41.

B-2-1-F Salvedades a la regla del doble conductor hacia tierra.

Como quedó indicado en párrafos anteriores, los conductores en el techado,

habrán de conectar entre sí, todas las terminales aéreas y deberán

proporcionarles a cada una de ellas, un doble camino hacia tierra sin

embargo, se establecen las dos salvedades siguientes:

a) Se permiten las bajadas desde un nivel de techado más alto a través de

otro más bajo, sin ninguna bajada extra, siempre que el tramo de

conductor del techado más bajo no tenga más de 12 m.

b) Las terminales aéreas pueden ser " PUNTAS MUERTAS ", con sólo un

camino de dirección única a un conductor principal cuando estén en

techados por debajo del nivel de la lumbrera principal, siempre que el

tramo de conductor desde la Terminal aérea hasta el conductor

principal no tenga más de 4.90 m. de longitud tota

Page 69: Ramirez rocha

64

II. Instalación de conductores en bajadas a tierra

B-2-II-A Recorrido y cantidad.

Cualquier tipo de construcción tendrá cuando menos, dos conductores de

bajada: La localización de los mismos dependerá de la colocación de las

terminales aéreas, del tamaño de la estructura, de que su recorrido a tierra

sea el más directo posible y del lugar en que se encuentren cuerpos

metálicos y tuberías de agua, y también de las condiciones del subsuelo.

Los conductores de bajada han de estar separados por una distancia

promedio de 30 m. como máximo.

Las estructuras de forma irregular en ciertos casos pueden requerir

conductores extra de bajada para lograr un camino de doble dirección a

tierra desde las terminales aéreas, de las lumbreras principales o de las

alas laterales.

Para determinar el número necesario de conductores de bajada, ha de

medirse sólo el perímetro " protegido ", es decir, las extensiones de

techado empinado, el perímetro protegido habrá de medirse de modo que

sea comparable con el contorno del alero o su equivalente.

B Protección de los conductores en bajada

B-2-II-B Protección.

Los conductores de bajada deberán contar con protectores que eviten daños

materiales o desplazamientos. Estos protectores serán de tubería de pvc rígido.

El conductor de bajada habrá de estar protegido en una distancia mínima de

1.80 m. arriba del nivel del suelo y deberá llevar en la parte superior del

protector de bajada un desconectador de tierra que permita desconectar del

sistema cada toma para medir su resistencia, sin necesidad de escarbar y

destapar la Terminal de la misma.

Page 70: Ramirez rocha

65

B-3 INSTALACION DE BASES Y ABRAZADERAS PARA CABLE.

B-3-A Sujetadores.

Las bases para punta y las abrazaderas para cable deberán estar

firmemente sujetas a la construcción o a otro objeto sobre el que se les

haya colocado mediante tornillos y taquetes.

Los tornillos que se usen, deberán ser del mismo material que las piezas

que vaya a sujetar o de un material que no tenga corrosión, electrolítica en

presencia de humedad o por contacto entre materiales disímiles. Las

abrazaderas para cable irán separadas una de otra 0.90 m. como mínimo.

B-3-B Anclaje de sujetadores.

Los sujetadores deberán tener un diámetro de no menos de 6.40 mm. (1/4 de

pulg ), y habrá de instalárseles cuidadosamente. Los agujeros que hayan de

recibir la espiga del sujetador habrán de ser del tamaño correcto, hechos

con herramientas adecuadas y abiertos en tabique o piedra más que en

juntas de mortero. Una vez instalado, el ajuste ha de ser estanco a la

humedad y capaz de resistir una prueba de tracción de 450.00 kg.

B-4 INSTALACION DE TERMINALES DE TIERRA O ELECTRODOS.

B-4-A Abrazadera para tierras.

Cada conductor de bajada deberá rematarse en una Terminal de tierra del

tipo mencionado en el párrafo A-4. La unión entre el conductor y la Terminal

deberá hacerse

Por medio de una abrazadera para tierra de tipo especial que permita un

contacto en paralelo, de por lo menos 38.00 mm entre cable y Terminal.

Page 71: Ramirez rocha

66

B-4-B VARIACIONES DEBIDAS A LAS CONDICIONES DEL SUBSUELO.

Ninguna Terminal de tierras deberá estar localizada a menos de 0.60 m. de

la pared de los cimientos. El diseño, el tamaño, la profundidad, la forma y el

número de terminales a tierra que se utilicen deberán cumplir con las

disposiciones contenidas en Los párrafos B-4-C, B-4-D Y B-4-F (VER

ANEXOS FIGURA 50).

B-4-C Subsuelo arcilloso húmedo profundo.

La terminal de tierra deberá penetrar verticalmente no menos de 3 m. en el

suelo; deberá apisonarse la tierra, dejándola bien apretada a todo lo largo

del conductor y de la Terminal de tierra.

B-4-D Subsuelo arenoso o de gravilla.

En arena o gravilla deberán penetrar verticalmente, a una profundidad

mínima de 3 m. del nivel del suelo, dos o más terminales de tierra con

separación de no menos 3 m. entre ellas, (VER ANEXOS FIGURA 51).

B-4-E Subsuelos tepetatados.

En los lugares en que el subsuelo es de tepetate, resultaría imposible

clavar una varilla de tierra; para esos casos, el uso de rehiletes representa

una solución más práctica y adecuada.

Cada conductor de bajada habrá de ir tendido en una zanja de 0.30 a

0.60 m. de profundidad, hasta una distancia mínima de 3 m. del edificio

protegido.

Page 72: Ramirez rocha

67

En ese lugar, se hará un pozo de 1.00x 1.00 m. y de 1.50 m. de

profundidad; el rehilete deberá quedar enterrado en dicho pozo, en una

mezcla de carbón y sal con una relación de una parte de sal por tres de

carbón. (VER ANEXOS FIGURA 52).

B-4-F Subsuelos poco profundos.

En los lugares en que el lecho rocoso está cerca de la superficie, los

conductores habrán de tenderse en zanjas que alejen del edificio cada uno de

los conductores de bajadas.

Estas zanjas no habrán de tener menos de 3.70 m. de longitud y de 0.30 a 0.60

m. de profundidad, cuando sean en suelo arcilloso; en suelo arenoso o de

gravilla, la zanja no habrá de tener menos de 7.30 m. de longitud y 0.60 m. de

profundidad.

Si no fuese posible llevar a la práctica estos métodos, una alternativa aceptable

de los mismos será tender el cable en zanjas de la profundidad antes

especificada o, si esto tampoco es posible, tenderlo directamente en el lecho

de roca hasta una distancia mínima de 0.60 m. de los cimientos o de la zapata

exterior, y unirlo a una placa de cobre, enterrada en el piso, esta placa de cobre

deberá tener un espesor de cuando menos 0.80 mm y una superficie mínima

de contacto de 0.18 m2. (VER ANEXOS FIGURA 53).

Si el subsuelo tiene menos de 0.30 m. de profundidad, el edificio protegido

deberá estar rodeado por un conductor igual al principal (anillo perimetral),

tendido en una zanja o bien en grietas de la roca. Partiendo de este anillo

perimetral, deberá tenderse un conductor que llegue hasta fosos en los que se

depositará metal adicional. Esto se llevará a cabo depositando una placa de

cobre de aproximadamente 0.84 m2 de extensión y de 0.80 mm (0.032 p1g.),

de espesor, o su equivalente de metal resistente a la corrosión, conectada a

los conductores laterales y cubierta con tierra suelta para absorber la

humedad proveniente de lluvia o riego. (VER ANEXOS FIGURA 54).

Page 73: Ramirez rocha

68

B-4-G Resistencia de la toma de tierra.

Cada toma de tierra deberá ofrecer una resistencia menor de 25 ohms. En caso

de que con una sola varilla o rehilete se obtenga una resistencia mayor, se

deberán agregar tantas tomas adicionales como sea necesario para

obtener la resistencia antes mencionada.

B-4-H Ligas de toma tierras.

Todos los sistemas de tierras de un edificio habrán de estar ligados juntos

entre sí.

Esta conjunción comprenderá la toma de tierra de los sistemas eléctricos,

de antenas, y de otros sistemas subterráneos de tuberías metálicas que

penetran en el edificio.

Estos sistemas de tubería incluirán: suministros de agua, tuberías de agua,

tuberías conduit metálicas, tuberías de gas. etc.

Las interconexiones entre los diferentes sistemas de tierra habrán de hacerse

utilizando conductores y conectores del tamaño y tipo de los usados en el sistema

de pararrayos.

B-5 LIGAS DE CUERPOS METALICOS AL SISTEMA DE PARARRAYOS.

B-5-A Ligas de masas metálicas.

Determinados cuerpos metálicos, de conductancia o de inductancia,

contribuyen al peligro de caída de rayos o de descargas laterales en el

exterior o el interior de los edificios y por lo tanto, han de ligarse al sistema

de pararrayos.

Page 74: Ramirez rocha

69

B-5-B Protección de cuerpos metálicos de conductancia.

Los cuerpos metálicos de conductancia deberán estar protegidos, cuando no se

encuentren dentro de la zona de protección de una Terminal aérea.

Todos los cuerpos metálicos de conductancia que tengan una superficie de

0.26 m2 o mayor, o un volumen de 0.016m3, o más grande, deberán estar

ligados al sistema de protección contra rayos, utilizando para ello conductores

principales y conectores de contacto que tengan una superficie de contacto no

menor de 19.00 cm2. Deberán tomarse las disposiciones necesarias para que

haya una guarda contra el efecto corrosivo que los metales disímiles introducen

en los puntos de ligar.

B-5-C Liga de cuerpos metálicos de inductancia

Los cuerpos metálicos de inductancia deberán estar ligados al sistema, en

su punto más cercano al mismo, utilizando para ello conductores y conectores

para ligas.

Es posible que algunos cuerpos metálicos lo sean tanto de inductancia

como de conductancia, en esos casos se deberán usar conectores de contacto

del tipo indicado en el párrafo anterior.

Las conexiones a cuerpos metálicos de inductancia son necesarias si tales

cuerpos se encuentran dentro de una distancia de 1.80 m. o menos del

conductor principal o de otro cuerpo metálico ligado.

Page 75: Ramirez rocha

70

B-5-D Ligas con la red de agua.

La red de agua del edificio también deberá quedar ligada al conductor del

sistema de pararrayos.

B-5-E Ligas de antena de radio y t.v. y apartarrayos.

Los mástiles de metal de las antenas de radio y televisión situados en un

edificio protegido habrán de estar ligados al sistema de protección contra rayos

por medio de un conductor y conductores del mismo tipo que los usados en el

sistema de pararrayos.

Independientemente de la liga al mástil de las antenas, los cables de las

antenas qua van hacia los equipos deberán ser provistos de apartarrayos con

el fin de evitar daños a dichos equipos.

3.4 DISEÑO DEL SISTEMA DE PROTECCION.

Objetivos.

Los objetivos que se persiguen al diseñar un sistema de protección

contra descargas atmosféricas para ser aplicado en la Red Móvil del

Servicio de Transmisiones, es dar protección a:

1. Personal de Servicio de Transmisión (operadores).

2. Personal perteneciente a unidades a nivel Corporación y sus partidas.

3. Equipos de radio comunicación (receptores, transmisores, etc.).

4. Eventualmente, familiares de dicho personal.

Page 76: Ramirez rocha

71

3.4.1 Ubicación.

Dentro de este factor, se va a considerar el estudio del lugar geográfico, el cual

incluye la configuración del terreno, como son elevaciones, vegetación, clima,

vientos dominantes, nivel isoceraúnico, características eléctricas del terreno,

sistema de tierra y construcciones cercanas.

3.4.2 Instalación.

En lo que se refiere a este factor, se deberán estudiar los aspectos

referentes a extensión, altura de la instalación, materiales utilizados en su

construcción, instalación de otros servicios (electricidad, agua potable, etc.)

además, deben considerarse las instalaciones del Servicio de Transmisiones,

principalmente en lo referentes a temas.

3.4.3 Selección del Sistema de Protección.

Después de analizar todos los factores que afectan el lugar que se desea

proteger, se diseña un sistema que proporcione la protección deseada,

tomando como punto de partida para que dicho diseño, los casos extremos,

es decir, aquellos en los cuales los requerimientos de protección sean

máximos, por lo que las características de los elementos elegidos para la

configuración del sistema proporcione un margen de seguridad aceptable,

considerando además el aspecto económico, para lo cual será necesario en

ocasiones hacer consideraciones específicas para cada lugar.

3.4.4 Diseño del Sistema en Base a la Ubicación.

Tomando en consideración la configuración geográfica que generalmente se

asocia a las instalaciones de la Red Móvil del Servicio de Transmisiones, y

después de consultar con personal de este servicio que ha actuado como

operador del mismo durante muchos años, se puede concluir que en el

noventa por ciento de los casos, dichas instalaciones se encuentran aisladas de

Page 77: Ramirez rocha

72

Las demás construcciones, separadas de ellas no menos de 200 metros y

que dichas construcciones son muy escasas, dado que en las partidas se

busca normalmente una ubicación alejada de las poblaciones y sitios

dominantes (lugares elevados).

De lo anterior se puede observar, que normalmente será necesaria una

protección contra descargas atmosféricas, en lo que ubicación se refiere, sin

embargo, y para evitar gastos innecesarios, antes de hacer la instalación se

deberán estudiar detenidamente los alrededores para ratificar o rectificar la

Mencionada necesidad (que podría resultar innecesariamente en el diez por

ciento de los casos, lo que representaría un considerable ahorro).

En lo que se refiere a vegetación, el asunto adquiere mucha importancia, en

muchas ocasiones las instalaciones a proteger, se encuentran rodeadas de

árboles; que por sus dimensiones son lo más importante ya que un gran

porcentaje de descargas cae sobre los mencionados, sobre todo cuando la

elevación es considerable, en cuyo caso puede provocar incendios que

lógicamente afectarían la integridad física de la instalación, por lo que se

recomienda cortar los que se encuentren cerca de la instalación a proteger,

pues de otra forma sería necesario instalar una protección a los más

elevados.

En la instalación de protección contra descargas atmosféricas, se recomienda

que la instalación de tierra se haga a un mínimo de cinco metros de la

pared de la instalación, orientada hacia el punto de incidencia de los vientos

dominantes, y en caso de ser necesaria otra tierra, se colocará en el lado

contrario de la instalación, a la primera de las mencionadas se le denomina

"tierra de salida".

Page 78: Ramirez rocha

73

La constitución de estas tierras depende por lo general de las

características eléctricas del terreno, dado que estas son muy variables, en

caso de que no sea haga un estudio preciso, se recomienda el uso de la

tierra que se propone más adelante, que es una tierra normalizada y que

proporciona buenas características de conducción, aún en caso de que las

características eléctricas del terreno sean muy pobres (terreno seco, rocoso,

etc.).

Un estudio previo de las características eléctricas del terreno, nos podría

ahorrar material en la construcción de las tierras. Se pueden ver las

características eléctricas del terreno.

En lo que a nivel isoceraúnico se refiere, la República Mexicana, presenta

una gran variación (entre 20 y 120), pero observando la carta de niveles

isoceráunicos se puede observar que exceptuando la parte sur de Chiapas y

una pequeña porción de Oaxaca que afecta incluso los límites de Veracruz en

su parte Sur, en el resto de la República el nivel isoceraúnico varía entre 20 y

80, que por lo que para efecto este diseño, se tomará como nivel isoceraúnico

normal el valor de 80.

Page 79: Ramirez rocha

74

3.5 DISEÑO DEL SISTEMA EN BASE A LAS INSTALACIONES.

En general los materiales utilizados para la instalación de la Red Móvil, son

de mampostería con un promedio de altura de 5 metros, construidas sobre una

superficie de aproximadamente 50 metros cuadrados y que cuenta con todos

los servicios como son de energía eléctrica, agua potable, etc.

En general el punto crítico de estas instalaciones está representado por la

antena de los equipos de radiocomunicación, que constituye generalmente el

punto más elevado (tres metros por encima del techo de la construcción) ya

que constituye un pararrayos involuntario, puesto que representa un camino

de baja impedancia para las descargas atmosféricas.

Esto hace necesario el darle una protección directa a dicha antena; lo que

se logra colocando un pararrayos al centro de la antena y elevada sobre

esta hasta una altura tal que el ángulo de protección del pararrayos utilizado,

cubra hasta un metro más allá del extremo activo de la antena, una vez hecho

lo anterior, se calculará si toda la superficie superior de la construcción esta

protegida, en caso negativo se podrían colocar dos pararrayos más, de

preferencia en algunos de los puntos de radiación nula de la antena, para

evitar que se afecte el lóbulo de radiación de la misma, procurando con esto

que toda la superficie a proteger quede cubierta.

En la mayoría de los casos y respetando la ubicación original de la antena,

con esta protección es suficiente, pero en el caso de que no sea así, se podrá

variar la ubicación de la antena sin cambiar su orientación, de tal forma que

toda la superficie quede protegida.

Page 80: Ramirez rocha

75

En ocasiones en que la superficie del techo presenta dificultades para la

protección total será necesario realizar los estudios relativos para su

completa protección, estos casos se presentan cuando la parte superior

tiene una forma de escuadra y rectángulos muy alargados, etc. En general,

una antena colocada sobre el techo de una partida militar, podrá funcionar

adecuadamente a pesar de que se le ponga un pararrayos por encima de la

PARTE CENTRAL, ya que la parte del lóbulo de radiación de la antena que

más influye en el establecimiento del enlace, es en el sentido horizontal y no

en el vertical.

En el Ejército Mexicano, las comunicaciones entre las partidas ubicadas a

distancias considerables (mayores de 10 kms) y las unidades a nivel

corporación, se llevan a cabo con equipos de Amplitud Modulada (AM)

dentro de la gama de alta frecuencia (HF) que varia entre 2,720 y 15,625

Mhz utilizándose generalmente antenas tipo doblete (Antena Tipo Hertz de

media longitud de onda) cuya longitud se determina por la fórmula siguiente:

)(

5.142

MhzfL Formula 3.1

Partiendo de la fórmula anterior, y tomando los casos extremos las frecuencias

más bajas y las más elevadas dentro de la gama se hicieron los siguientes

cálculos:

Para 2,720 Mhz.

)(

5.142

MhzfL = mL 38.52

72.2

5.142

Para 15,625 Mhz..

)(

5.142

MhzfL = mL 12.9

625.15

5.142

Page 81: Ramirez rocha

76

Para la frecuencia de 2,720 Mhz la longitud total de la antena sería de 52.38

m, más un metro que se le aumenta como margen de protección en cada

extremo, se obtiene un total 54.38 m.

CASO I

Considerando un pararrayos con un ángulo de protección de 65 grados, para

proporcionar la protección adecuada, se debe colocar a una altura que se

calcula a partir del radio de protección de la siguiente manera:

RA=L/NP fórmula (3.2)

h=RA/Tan fórmula (3.3)

RA = 54.38 m / 2 = 27.19 m.

h = 27.19 m / tan 65° = 12.67 m.

Donde:

RA = Radio de la antena.

h = Altura a partir de la antena.

Np = Número de las partes a proteger.

Tan = Angulo de 65° de protección del pararrayos.

A continuación se calcula la superficie de protección a nivel del techo (tres

metros abajo de la antena).

ht = h + 3 m. fórmula ( 3.4 )

ht = 12.67 m + 3 m.

ht = 15.67 m.

Page 82: Ramirez rocha

77

Rp=(ht)(tan ) fórmula ( 3.5 )

Rp = (15.67 m) (tan 65° )

Rp = 33.62 m.

At = (3.1416) (Rp) 2 fórmula (3.6)

At = (3.1416) (33.62m) 2

At = 3,555.58m2

Lc = (Rp)( sen )(2) formula ( 3.7 )

Lc =(33.62)(sen45°)(2)

Lc = 47.55 m.

Atc= (Lc)2 fórmula (3.8 )

Atc = (47.55 m)2.

Atc = 2,261 m2

Donde:

ht = Altura total a partir del techo.

Rp = Radio de protección.

At = Área total del cono.

Lc = Lado del cuadrado.

Page 83: Ramirez rocha

78

Atc = Área total del cuadrado.

Tan = Angulo de protección de 65° del pararrayos.

Sen = Angulo de 45° de la diagonal del cuadrado a proteger.

Como se puede ver la superficie protegida por el pararrayo es de 3,555.58

metros cuadrados (VER ANEXOS FIGURA 55). Que puede estar contenido

en un cuadrado de 47.55 metros por lado (VER ANEXOS FIGURA 56). Con

una superficie a proteger de 2,261 metros cuadrados.

CASO II

En caso de que sea muy problemático elevar el pararrayos a la altura

requerida, se puede optar por la colocación de dos de ellos, en las partes

medias de los brazos de la antena.

La protección se va a proporcionar considerando una longitud total igual a la

longitud de la antena pero medio metro por encima de su nivel horizontal, para

que quede totalmente protegida.

Esto implica la necesidad de proteger una longitud igual a la de la antena a

3.5 metros de altura sobre el nivel del techo. Como los soportes de los

pararrayos se van a colocar a la mitad de la longitud de cada brazo, deberán

tener un radio de protección a esa altura (RA) de la fórmula (3.2)

RA = 52.385 m / 4 = 13.095 m.

Este radio de protección considerando un ángulo de protección de 65 grados

del pararrayos, hace necesario que este se coloque a una altura (h) de la

fórmula (3.3)

h = 13.095 m / tan 650

h= 6.1 m.

Page 84: Ramirez rocha

79

Esto requiere que el pararrayos tenga una altura TOTAL (ht) sobre el techo de

la instalación de la fórmula (3.3), considerando una altura de protección

adicional a 3.5 m en lugar de 3 m:

ht = 6.10 m. + 3.5 m. = 9.6 m.

Como se puede ver, ambos pararrayos protegen un área correspondiente a la

base de un cono, el cual tiene una altura en este caso de 9.60 m y un ángulo de

inclinación de 65 grados, además, la base de dichos conos se encuentra

traslapada a partir de 3.5 m sobre el nivel del techo hacia abajo (VER ANEXOS

FIGURA 57)..

Para poder calcular la longitud de la superficie de traslape, sobre la línea que

une los respectivos centros de las circunferencias, se hará un corte transversal

de los conos de protección (VER ANEXOS FIGURA 58). De tal forma que

dicha longitud (LTR) será:

LTR = (Tan ) ( hTR)(2) fórmula ( 3.9 )

LTR = (3.5 m) (tan 65°) (2)

LTR = 15.01 m.

Donde:

L m=Longitud de traslape en metros.

h TR = Altura de traslape, en metros.

Tan = Angulo de protección de 65° del pararrayos.

Bajo cada cono se puede proteger un cuadrado inscrito (Lc), que se obtiene a

partir de la fórmula (3.7), se tiene que:

L c = (R p)(sen )(2)

Page 85: Ramirez rocha

80

De la fórmula (3.5), tenemos

R p = (h t) (tan )

Sustituyendo valores, se tiene:

R p = (9.60 m)(tan 65°)

R p = 20.58 m.

Sustituyendo en la fórmula (.7) , se obtiene:

L c = (20.58) (sen 45°) (2)

L c = 29.10 m.

Estos dos cuadrados, uno por cono, se traslapan en la parte central; para poder

calcular

El área total del rectángulo protegido, es necesario calcular el ancho del

rectángulo de traslape.

La flecha (d) (distancia entre una de las cuerdas formadas por un lado del

cuadrado inscrito y la circunferencia, en la dirección de un radio transversal

a dicha cuerda) es de:

d = R p – L c fórmula (3.10)

d = Rp - (Rp x sen91) fórmula ( 3.11 )

d = 20.58m - ( 20.58 x sen 45° ) d = 6.02 m.

Page 86: Ramirez rocha

81

De tal forma que el ancho de la superficie de traslape (ATR) del rectángulo

será:

Ate= LTR - (2Xd) fórmula ( 3.12 )

sustituyendo los valores anteriormente obtenidos,

tenemos:

ATR =15.01 m-(2)(6.02 m)

ATR = 2.97m

Luego entonces, el área del rectángulo protegido será (Ari):

Ari = ((2) (L c) - ATR) (L c) fórmula (3.13)

Ari = ((2 )(29. 10 m) - 2.97m)( 29.1 0 m )

Ari = 1,607.19 m2.

En (VER ANEXOS FIGURA 59). Se muestran los valores de los cálculos, así

como la superficie a proteger. .

En el caso I se vio, que el principal problema es la protección de la antena

por sus dimensiones, ya que al proteger esta, automáticamente queda

protegida la construcción que la sostiene.

Si la frecuencia usada es de 15.625 Mhz la situación varía

considerablemente, pues la antena a esta frecuencia tiene una longitud (L) de la

fórmula (3.1)

L = 142.5/F Mhz

L = 142.5/15.625 Mhz

L = 9.12 m.

Page 87: Ramirez rocha

82

A la longitud de la antena para esta frecuencia se le agrega un metro a cada lado,

para que quede totalmente comprendida dentro del área de protección, es

decir, a la altura de la antena el diámetro de protección será de 11.12 m, a partir de

estos datos, se calcula la altura del pararrayo (h), utilizando la fórmula (3.3)

h = 5.56m / tan 65°

h = 2.5926 m.

Y la altura total ( ht ), de la fórmula ( 3.4 ):

ht = h + 3m.

ht = 2.5926m + 3m = 5.5926m

De tal forma que la protección a la altura del techo tendrá un radio ( Rp ), de

la fórmula ( 3.5 ):

Rp =( ht)( tan )

Sustituyendo valores:

Rp = (5.5926) (tan 65°)

Rp = 11.993m.

Con una superficie ( At) de

At = (3.1416)( Rp)2

Rp = (3.1416X 11.9932 m)2

At = 451. 86 m2

Page 88: Ramirez rocha

83

Con esta dimensión de radio, se protegerá la superficie de un cuadrado inscrito

cuyo lado ( Lc) tendrá una longitud de:

Lc= (Rp) (sen )( 2 )

Lc = (11.993mX 0.7071)(2) = 16.96m

Con una superficie (Atc) de:

Ata =(Lc )2

Atc = (16.96m)2 = 287.66m2.

Que será suficiente en la mayoría de los casos para proteger las

instalaciones de una Partida Militar. Otra opción de protección, para el caso en

que la antena no este colocada exactamente sobre la construcción. es el uso

de un telé pararrayo o hilo de guardia, el cual se podrá colocar a un metro de

altura a todo lo largo de la antena, con bajadas un metro después de los

extremos de la misma y en el mismo sentido, en dichas bajadas se deberán

hacer buenos contactos a tierra

Page 89: Ramirez rocha

84

4.0 SISTEMAS DE TIERRAS

4.1 ESTUDIO DE LA RESISTIVIDAD DEL TERRENO.

Es muy importante la localización del terreno donde se construirá una

subestación y depende del tipo de subestación y costos del terreno.

Se debe hacer una investigación del lugar preseleccionado. Observándose la

composición general del suelo y determinar la característica del terreno desde

e punto de vista de la ingeniería civil eléctrica.

Para realizar el cálculo preliminar de la red de tierras, es indispensable conocer

la resistividad del terreno, para lo cual deben hacerse mediciones directas que

nos permItan establecer el valor que representa la medía OHMICA del suelo.

La resistividad de los terrenos tiene los siguientes valores aproximados:

Valores de Referencia de la resistividad Media para Distintos Tipos de Suelos.

CARACTERISTICAS

RESISTIVIDAD EN OHMS-METRO

Terreno Húmedo o suelo Orgánico 10 a 50

Terreno de Cultivo o Arcilloso 100

Tierra Arenosa Húmeda 200

Tierra Arenosa ( suelo seco) 1000

Tierra con Guijarros o Cemento 1000

Suelo Rocoso Húmedo 3000

Roca Compacta 10000

TABLA 6.1

Page 90: Ramirez rocha

85

Las estimaciones basadas en la clasificación permiten sólo una burda

aproximación de la resistividad.

Por lo tanto son muy deseables las mediciones de resistividad eléctrica del

suelo donde se vaya a instalar un sistema de tierras.

Estas deberán hacerse de preferencia, en una cantidad de lugares dentro del

terreno y con diferentes Vaciamientos de la sonda, esto es con el objeto de

obtener una indicación de cualquier variación importante en los valores de

resistividad con la ubicación o profundidad.

La cantidad de tales lecturas será normalmente mayor cuando dichas

variaciones de resistividad sean grandes; especialmente si algunas lecturas

son tan elevadas que sugieran un serio problema de seguridad.

Los instrumentos de uso común hacen automáticamente la división

obteniéndose lecturas directas en ohms, como lo muestra en (VER ANEXOS

FIGURA 60).

De donde se obtiene la fórmula:

)1.4(22

1

4

4442222

FORMULAAA

AB

BABA

En donde:

= Resistividad del terreno en ohms - metros

R = Es la resistencia en ohms que resulte de dividir el voltaje entre la sonda de

potencial por la corriente que fluye entre los electrodos de corriente.

A = Es la distancia entre los electrodos adyacentes en metros.

B = Es la profundidad de los electrodos en metros.

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86

Si se analiza la fórmula (4.1) y se compara "B" con "A", resultando que "B" es

más pequeña respecto a "A", la fórmula se simplifica, obteniendo:

AR2 Fórmula (4.2.)

Si A y B están en centímetros, entonces estará en ohms-cm.

Localización del Punto de más baja Resistividad

Algunas veces es necesario localizar el punto de más baja resistividad en un

terreno en cuyas condiciones son desfavorables. Para tal caso, lo mejor es

trazar líneas rectas separadas unos tres metros y que cubran toda la extensión

del terreno bajo prueba.

Se clavan enseguida los electrodos de prueba a una profundidad no mayor de

60 cm y espaciados tres metros a lo largo de una línea a, b, c, d, y se mide la

resistencia "R" entre los electrodos b y c. Después de hacer esta lectura se

pasa a los puntos b, c, d, e; c, d, e, f, etc., y se prueba hasta que cubra toda la

línea y así hasta que se haya cubierto todo el terreno de prueba.

El punto que nos da más baja lectura para "R", obviamente será el punto de

más baja resistividad. Este valor será la resistividad promedio del terreno a una

profundidad de tres metros, es decir, igual al espaciamiento escogido.

Si se desea, la prueba puede ser repetida para las líneas espaciadas a una

distancia de seis metros. La comparación de ambos resultados nos dará

además del punto de más baja resistividad, una indicación de qué profundidad

necesitamos para instalar nuestras varillas y obtener la resistencia a tierra

deseada, o visto desde el punto de vista económico, se puede saber si vale la

pena incrementar el costo del sistema de tierra al aumentar la profundidad de

los electrodos.

Page 92: Ramirez rocha

87

4.2 DEFINICIONES DE SISTEMA DE TIERRAS

El mayor desarrollo en sistemas de pararrayos, se ha tenido en las puntas y

se ha descuidado en los sistemas de tierras, que son en realidad, los que

captan el "rayo positivo" y cuando se establece el contacto creándose la

descarga de retorno, es en realidad el que disipa toda la energía del rayo,

por lo que para nosotros es la parte más importante del sistema de

pararrayos.

4.2.1 Objetivo y naturaleza de los sistemas de tierra

La correcta conexión a tierra de todo el sistema eléctrico, es un factor de suma

importancia para la seguridad del personal y del equipo eléctrico en sí.

El propósito que se persigue con la existencia de los sistemas de tierra es:

Protección para el personal operativo, autorizado o no autorizado.

Protección a los equipos e instalaciones contra tensiones peligrosas.

Evitar que durante la circulación de falla a tierra, se produzcan

diferencias de potencial entre distintos puntos de la instalación,

proporcionando para esto, un circuito de muy baja impedancia para la

circulación de estas corrientes.

4.2.2 Constitución de un sistema de tierra

Una instalación de un sistema de tierra se compone esencialmente de

electrodos.

Que son los elementos que están en íntimo contacto con el suelo (enterrados)

y de conductores, utilizados para enlazar a los electrodos entre si y a éstos,

Page 93: Ramirez rocha

88

Con los gabinetes de los equipos y demás instalaciones expuestas a corrientes

nocivas, manteniendo al mismo tiempo, una superficie equipotencial a su

alrededor.

4.2.3 Puesta a tierra.

El sistema de puesta a tierra provee un camino de baja impedancia para

derivar a tierra corrientes de fuga y disturbios presentes en las redes de

energía, a través de los dispositivos de protecciones específicos.

El tipo de sistema de puesta a tierra será del tipo equipotencial, es decir todos

los componentes del sistema (anillos, estructuras, cañerías, etc.) estarán

vinculados.

Un sistema de puesta a tierra con todos sus elementos asociados

(descargadores gaseosos incluidos), provee de la siguiente protección:

1. Para minimizar la diferencia de potencial entre los objetos metálicos y

las personas a fin de reducir el riesgo de shock eléctrico debido a

descargas inducidas y corrientes de fuga.

2. Para minimizar la diferencia de potencial entre todos los objetos

metálicos y proveer protecciones de equipamiento contra voltajes

peligrosos y descargas eléctricas.

3. Para proveer potencial de referencia para equipo electrónico.

4. Para minimizar el efecto de disturbios eléctricos en la operación del

equipamiento por ruido normal y ruido común.

Page 94: Ramirez rocha

89

4.2.4 Conectado a tierra.

Conexión a tierra o a un cuerpo conductor que sirva en lugar de la tierra.

4.2.5 Conductor de puesta a tierra.

Conductor usado para conectar el equipo o el circuito de puesta a tierra, de un

sistema de alambrado a un electrodo o electrodos de conexión a tierra.

4.2.6 Puesta a tierra efectiva.

Unión permanente a tierra a través de un conductor de baja impedancia y que

tenga suficiente capacidad de corriente, para que si ocurre una falla a tierra o

rayo no ocasione diferencias de potencial que puedan ser peligrosas para el

personal.

En base al Reglamento de Obras e Instalaciones Eléctricas y a las

definiciones anteriores, podemos decir en forma general, que el objetivo de

los sistemas de conexión a tierra, es el de disminuir o dispersar en el

subsuelo, las corrientes eléctricas con características nocivas reduciéndolas,

a un potencial que tienda a cero, con lo cual se disminuyen o evitan los daños al

personal y/o equipo.

4.3 REVISIÓN DEL SISTEMA DE TIERRAS.

Dadas las características del rayo, es preciso que el disipador del mismo

esté en buenas condiciones siempre, no importa la época del año.

La instalación del pararrayos por su propia naturaleza, está colocada fuera

del edificio, por lo que todas sus partes están sujetas a la acción corrosiva de

los agentes atmosféricos, Deterioro accidental o intencional.

Page 95: Ramirez rocha

90

La perfección de !a instalación inicial no resiste por si sola al paso del tiempo

por lo que es necesario hacer revisiones periódicas de la misma.

La corrosión es el principal enemigo de la instalación de pararrayos y en

especial del sistema de tierras.

El artículo 9-31 del Reglamento de Obras de Instalaciones Eléctricas, menciona

que estas revisiones deben hacerse periódicamente, pero no especifica el

periodo.

Nosotros proponemos que la revisión sea semestral en lugares que no sean

críticos y trimestrales en los casos críticos tales como polvorines, depósitos

de combustible y depósitos de solventes inflamables.

La revisión semestral hacerla en Abril y en Septiembre, es decir, antes y

después del periodo de lluvias y el trimestral en Abril, Julio, Septiembre y

Diciembre, así cualquier desviación de valores que no sea justificada,

podrá ser indicio de que el sistema de pararrayos, se esta volviendo

inseguro, con sus posibles consecuencias, pudiendo así corregir cualquier

anomalía.

4.4 CLASIFICACIÓN DE LOS SISTEMAS DE TIERRA.

Por su uso o función los sistemas de tierra se pueden clasificar en:

a) Sistemas de tierra para protección

b) Sistemas de tierra para trabajo

c) Sistemas de tierra para servicio

Page 96: Ramirez rocha

91

4.4.1 Sistemas de tierra para protección.

Es el que utiliza para interconectar a tierra partes de una instalación que

normalmente no están energizadas y las que su valor es tan bajo que no

representa peligro al personal por contacto directo, pero que puedan causar

una chispa en lugares explosivos tales como quirófanos, polvorines, fábrica de

combustible o gasolina, etc.

4.4.2 Sistemas de tierra para trabajo.

Son los que se efectúan en forma provisional para realizar un trabajo que

implique el riesgo de un choque eléctrico o chispa.

Un ejemplo de este sistema, es el que se efectúa al descargar los camiones

tanque con gasolina, o cuando se efectúan reparaciones en las

subestaciones. Usualmente este aterrizaje se efectúa con electrodos de

barra.

4.4.3 Sistemas de tierra para servicio.

Son los que se utilizan para interconectar los pararrayos aunque también se

les utiliza para interconectar los neutros de generadores, transformadores,

aparta-rayos y en general, todos aquellos circuitos que durante una descarga

atmosférica o falla a tierra, puedan estar sometidos a fuertes corrientes.

Este sistema es necesario que tenga una conexión a tierra efectiva, es decir,

con baja impedancia y suficiente sección para resistir las intensidades de

corriente de un rayo durante un tiempo de hasta 0.6 de segundo.

Page 97: Ramirez rocha

92

4.5 COMPONENTES BÁSICOS.

Los componentes básicos que deben incluirse en un sistema de tierra para

proporcionar una debida protección tanto al personal como al equipo, son las

siguientes:

Red o malla de conductores enterrados, a una profundidad que usualmente

varía entre 0.50m y 1.0m

Electrodo de Tierra. Es un conductor enterrado en el suelo usado para

mantener un potencial de tierra en todos los conductores que estén

conectados a él y para disipar en el suelo todas las corrientes conducidas a él.

Barra de Tierra. Es una red de protección de tierra usada para establecer un

potencial uniforme en el y alrededor de la estructura, esta unido sólidamente a

los electrodos de tierra, a una profundidad que usualmente varía entre 0.50 y 1

metro.

Conductor de Puesta a Tierra. Es un conductor usado para las carcasas del

equipo o las cajas de los sistemas de alambrado al bus de tierra.

Tipo de Electrodos de Tierra. Una tubería de agua subterránea provee un

electrodo de tierra bastante satisfactorio. Si este sistema es el único medio de

conexión a tierra de un sistema dado, deberá haber una equivalencia entre el

tamaño del conductor de tierra y el diámetro de la tubería.

Barra de tierra. La importancia de un circuito metálico continúo de baja

impedancia en la trayectoria de retorno para las corrientes de falla de tierra.

Page 98: Ramirez rocha

93

4.6 MATERIALES EMPLEADOS EN LA RED DE TIERRAS.

Cada elemento del sistema de tierras (Incluyendo la malla, conectores y

electrodos) debe ser elegido de manera que cumpla con lo siguiente:

Tener un punto de fusión suficientemente alto para no sufrir deterioro bajo las

más severas condiciones en las magnitudes de corriente de falla y

duración de las mismas.

Tener resistencia mecánica suficiente y ser resistente a la corrosión.

Tener suficiente conductividad, de manera que dichos elementos no

contribuyan substancialmente a originar diferencias de potencial peligrosas.

El material más usado para los conductores es el cobre.

4.6.1 Conductores.

Los conductores utilizados en los sistemas de tierra son de cable de cobre

de calibres arriba de 4/0 AWG en cobre por razones mecánicas, ya que

eléctricamente pueden usarse cables de cobre hasta No. 2 AWG.

Para sistemas de anillo se han usado cable de cobre de 1000 MCM y en

cambio para el sistema de malla se está usando en la actualidad cable de cobre de

4/0 AWG.

Se utiliza por su mejor conductividad, tanto eléctrica como térmica y sobre todo

por ser resistente a la corrosión debido a que es catódico respecto a otros materiales

que pudieran estar enterrados cerca de él.

Page 99: Ramirez rocha

94

4.6.2 Electrodos.

Son las varillas que se clavan en terrenos más o menos blandos y que sirven para

encontrar zonas más húmedas y por lo tanto con menor resistividad eléctrica

Son especialmente importantes en terrenos desprotegidos de vegetación y cuya

superficie al quedar expuesta a los rayos del sol está completamente seca.

Los electrodos pueden ser fabricados de tubos o varillas de fierro galvanizado o bien

de varillas de "Copperweld".

En el caso de fierro galvanizado, se puede usar en terrenos en que su

constitución química no ataque a dicho material.

En terrenos cuyos componentes son más corrosivos, se utiliza el "Copperweld"

que consiste en una varilla de fierro a la cual se adquiere una lámina de cobre.

Este material combina las ventajas del cobre con la alta resistencia del fierro.

Ya que tiene buena continuidad, excelente resistencia a la corrosión y buena

resistencia mecánica para ser clavada en el terreno y se puede conectar a los

cables de la red de tierras a través de los conectores soldables o mecánicos.

4. 6. 3 Barras para pararrayos.

Con este título distinguimos al conjunto de electrodos que se instalan sobre la

parte más elevada de las estructuras de una subestación y que sirven para

complementar la red de cables de guarda que se extiende sobre los copetes de

las estructuras de la subestación de las posibles descargas directas de los rayos.

Dichos electrodos están fabricados usando tramos de tubos de fierro

galvanizado de unos, 40 mm., de diámetro y de 3 metros de largo atornillados a

la estructura de la subestación y cortados en bisel en su parte superior para

producir el efecto de punta.

Page 100: Ramirez rocha

95

Debido a que las descargas de los rayos son de alta frecuencia se

recomienda que las terminales de descarga de la red de hilo de guarda así

como las terminales de descarga de los pararrayos deben tener, como

mínimo el mismo calibre del cable de la red de tierras y lo ideal sería utilizar

un cable de descarga del mismo calibre de las barras que proteja para evitar el

reflejo de ondas que provoca un aumento en la amplitud de la onda de choque.

4.6.4 Conectores y accesorios.

Son aquellos elementos que nos sirven para unir a la red de tierras los

electrodos profundos, las estructuras, los neutros de los bancos de

transformadores, etc.

Los conectores utilizados en los sistemas de tierra son principalmente de tres

tipos:

a) Conectores Atornillados.

b) Conectores a Presión.

c) Conectores Soldados.

Todos los tipos de conectores deben poder soportar la corriente de la red de

tierras en forma continua.

Los conectores atornillados se fabrican con bronces, de alto contenido de

cobre, formando dos piezas que se unen por medio de tomillos cuyo

material está formado por bronces al silicio que les da alta resistencia mecánica

y a la corrosión.

La utilización del bronce, que es un material no magnético, proporciona una

condición segura para las descargas atmosféricas que son de alta frecuencia.

Page 101: Ramirez rocha

96

Los conectores a presión son más económicos que los atornillados y dan mayor

garantía de buen contacto.

Los conectores soldados, solo se usan en la actualidad para conectar a tierra

los rieles de los transformadores.

Se usaron mucho hace tiempo, pero se encontraron fallas debido a que la

fusión de las uniones de los cables era irregular y formaba grandes zonas

huecas que producían falsos contactos.

Los conectores para sistemas de tierra difieren de los usados en barras

colectoras, en que se fabrican para unir los electrodos de tierra al cable; de la

malla de tierra al de cable de las estructuras, etc.

En general se utilizan en los siguientes tipos de conexiones atornillados:

a) Electrodo al cable de cobre de malla tomando en cuenta si el cable es

paralelo o perpendicular al electrodo.

b) Electrodo a dos cables verticales.

c) Del electrodo a tres cables verticales.

d) De un cable a un tubo o columna.

e) De dos cables a un tubo perpendicular a ellos

f) Zapata para conexión a diferentes equipos.

g) Conector T de cable a cable.

h) De un cable a placa.

i) De dos cables a placa.

j) De tres cables a placas.

k) De varilla a placa.

Page 102: Ramirez rocha

97

4.7 CARACTERÍSTICAS DEL SISTEMA DE TIERRAS.

Disposición Física. Se recomienda que un cable continuo forme el perímetro

Exterior de la malla, de manera que encierre toda el área en que se encuentre

el equipo de la subestación.

La malla puede estar constituida por cables paralelos y perpendiculares, con

un espaciamiento razonable (por ejemplo formando rectángulos de 3 por 6

metros).

En lo que sea posible, los cables que formen la malla deben colocarse a lo

largo de las hileras de estructuras o equipo, para facilitar la conexión de los

mismos.

Se recomienda que los conductores de malla, deben conectarse rígidamente

entre sí y, en los puntos adecuados, conectarse a electrodos de tierra de 2.50

metros de longitud o más clavados verticalmente.

4.7.1 Corrientes de Falla en el Sistema.

La magnitud de las corrientes de corto circuito en un sistema de potencia, está

relacionada directamente con su capacidad de generación, mientras que la

magnitud de las corrientes de carga se determina por la cantidad de energía

que está utilizando.

Los sistemas de potencia cuentan con tres fuentes principales que alimentan

la corriente de corto circuito durante la presencia de una falla en el sistema.

Estas tres fuentes son:

a) Generadores.

b) Motores y condensadores Síncronos.

c) Motores de inducción.

d) Las fallas en el sistema se pueden presentar en cualquier lugar

donde el aislamiento normal entre fases o tierra resulta dañado por

condiciones anormales en el funcionamiento de la red, por las

condiciones ambientales o daños mecánicos.

Page 103: Ramirez rocha

98

Existen cuatro tipos de fallas que afectan los sistemas eléctricos, esto es:

a) Falla de línea a línea.

b) Falla de línea a tierra.

c) Falla de dos líneas a tierra.

d) Falla trifásica.

La mayoría de ellas son asimétricas, pudiendo ser cortos circuitos

asimétricos o fallas asimétricas a través de impedancias.

4.8 EL PROBLEMA BÁSICO DEL ATERRIZADO SEGURO.

Bajo condiciones de falla, el flujo de corriente hacia tierra producirá

gradientes dentro y alrededor de una planta o subestación, los cuales

pueden alcanzar valores tan altos como para poner en peligro al personal,

a menos que se tomen las debidas precauciones en el diseño.

También es importante señalar que una resistencia de tierra baja no

constituye en sí una garantía de seguridad.

Tampoco puede decirse que existe una relación simple entre la resistencia del

sistema de tierras en su conjunto y la máxima corriente de falla, una

estación de relativamente baja resistencia puede ser peligrosa bajo algunas

circunstancias.

Por otro lado, algunas estaciones con una resistencia muy alta pueden hacerse

seguras por medio de un cuidadoso diseño.

Además de la magnitud de los gradientes locales, otros factores como la

duración de la falla, resistencia, condición física del individuo y

probabilidad del contacto intervienen dentro del problema de seguridad.

Page 104: Ramirez rocha

99

4.9 CONDICIONES DESFAVORABLES PARA LOS SISTEMAS DE

TIERRA.

Las circunstancias que hacen posibles los accidentes por choque eléctrico,

requieren la coincidencia de los siguientes factores:

1.- Una corriente de falla a tierra relativamente alta en relación con el tamaño

del sistema de tierras y resistividad de la tierra.

2.- Resistividad del suelo y distribución del flujo de corriente de tierra tal, que

los elevados gradientes de potencial son posibles en uno o más puntos.

3.- La presencia del individuo en un punto, en un momento y una posición tales,

que su cuerpo "puentea" dos puntos de alta diferencia de potencial.

4.- Ausencia de resistencia de contacto suficiente u otra resistencia en serie

para limitar la corriente a través del cuerpo a un valor seguro bajo las

circunstancias anteriores.

5.- Duración de la falla y contacto del cuerpo, (y por lo tanto el flujo de

corriente a través del cuerpo) por un tiempo suficiente para producir daño la

intensidad de corriente dada

Los accidentes por choque eléctrico son raros comparados con los de otras

clases, debido a la baja probabilidad de coincidencia de todas las

condiciones desfavorables requeridas.

Sin embargo un pequeño estudio mostrará que es absolutamente imposible

prevenir en todo tiempo, en todos los lugares y bajo todas las condiciones la

presencia de tensiones peligrosas.

Afortunadamente en la mayoría de los casos, pueden reducirse a un valor

muy bajo mediante un diseño inteligente y cuidadoso.

Page 105: Ramirez rocha

100

4.10 EFECTOS DE RECIERRES.

En la operación de los sistemas modernos, los recierres después de las fallas,

son una cosa común.

Un solo recierre automático resultaría por lo general en un segundo choque

iniciado en un poco menos de medio segundo después del inicio del primero,

con mínima oportunidad para la víctima para liberarse por sí misma en ese

intervalo.

Con el recierre manual, donde el intervalo normalmente sería desde varios

segundos hasta unos cuantos minutos, habría una posibilidad mayor, pero

no da seguridad de que la víctima pudiera evitar otro choque en el recierre.

Para intervalos mayores de 5 minutos, los choques sucesivos no tienen un

efecto acumulativo en la susceptibilidad a la fibrilación del corazón, puesto

que si ésta no ocurre, la acción del corazón casi siempre regresa a lo normal

dentro de los 5 minutos siguientes a la aplicación de la comente.

Sin embargo en el caso de un recierre después de un intervalo

relativamente corto, un individuo podría recibir un primer choque, el cual

pudiera no dañarlo permanentemente, entonces, si ocurre un segundo choque,

tal vez más débil pero antes de que él haya recobrado su estado normal,

podría producirse una desgracia.

4.11 TENSIÓN DE PASO.

En un dispersor o electrodo de tierra debe conducir la corriente bien sea del

rayo positivo o de la descarga de retorno, y cuando esto sucede, se forma un

campo electromagnético que depende de la forma del electrodo, sus

dimensiones y de la resistividad del terreno.

Page 106: Ramirez rocha

101

Ruiz Vasallo nos dice, que estos anillos equipotenciales, producen un

"embudo", en las zonas próximas a la toma de tierra; que es máxima en la

vertical del electrodo de barra y que resulta casi inapreciable a unos 20 metros

de distancia, como se muestra en (VER ANEXOS FIGURA 61).

Cuando una persona se encamina paso a paso hacia el lugar de la toma de

tierra, está sometida a una tensión de paso, esta tensión de paso se refiere a un

metro de longitud de paso para el hombre y a 1.5 metros para los animales

domésticos. La tensión de paso puede resultar peligrosa, pudiendo inclusive

causar la muerte.

En (VER ANEXOS FIGURA 62). Se muestra este efecto y en la figura 67 se

muestra haciendo la

4.12 FACTORES QUE INTERVIENEN PARA ELEGIR UN BUEN

SISTEMA DE TIERRAS.

SEGURIDAD.- Muchos de los peligros al personal y propiedades existentes

en los sistemas eléctricos industriales son el resultado de una mala

planeación de un adecuado sistema de redes de tierra, por lo anterior se

debe tener el debido cuidado al realizar el diseño y al llevar a cabo su

realización ya que con esto nos estamos dando cuenta de que habrá una

mayor seguridad en su funcionamiento en caso de falla en el equipo o por

alguna otra causa.

Continuidad de Servicio.- El continuo avance tecnológico de los años

recientes ha exigido sistemas de procesos y manufacturas de un alto grado de

continuidad de servicio., eléctricamente, está continuidad del servicio debe

estar asegurada.

Sobre-tensiones.- Los períodos transitorios son de mucha importancia ya que

en ellos, los componentes del sistema eléctrico se ven sometidos a grandes

esfuerzos debido a excesivas tensiones.

Page 107: Ramirez rocha

102

Fallas de Arqueo.- En años recientes, especialmente en sistemas de bajo

voltaje, existen un gran número de reportes de casos de fallas de arqueo. Los

cuales ocasionan daños muy severos a la construcción de instalaciones,

dispositivos y máquinas eléctricas.

Por ejemplo la falla de arqueo en sistemas de neutro flotante o bien en el

sólidamente aterrizado causa la liberación de energía, tal que, resulta una

violenta generación de calor y gases, así como de plasma de arco, el

calor generado es tan intenso que puede llegar a volatilizar los conductores

de cobre y aluminio, inclusive el acero circundante.

También destila gases tóxicos y flamables de los aislantes orgánicos.

Frecuentemente la devastación es tan completa que el equipo involucrado se

tiene que reemplazar.

4.13 SELECCIÓN DE LAS REDES DE TIERRA

Debido a lo anterior debemos hacer una adecuada elección del sistema de

redes de tierra que emplearemos, por lo que consideraremos básicamente 4

tipos de sistemas:

a) Sistema Radial

b) Sistema de anillo - Sistema de Red

c) Sistema Ideal o de Placas

El Sistema Radial. Es el más barato pero el menos satisfactorio ya que al

producirse una falla en un equipo o aparato, se producen gradientes de

potencial elevados.

Page 108: Ramirez rocha

103

El sistema consiste en uno o varios electrodos instalados a lo largo de líneas

imaginarias y no se enlazan formando ninguna figura geométrica y sobre esta

configuración se conectan las derivaciones de cada aparato o equipo.

El Sistema de Anillo. Se obtiene, colocando en forma de anillo un cable de

cobre de suficiente calibre (aproximadamente 1000 MCM ), alrededor de la

superficie ocupada por el equipo de la subestación y conectando derivaciones

a cada aparato usando, cable más delgado ( 500 MCM ó 4/0 AWG ).

Es un sistema económico y eficiente y en el se eliminan las grandes

distancias de descarga a tierra del sistema radial. Los potenciales

peligrosos son disminuidos al disiparse la corriente de falla, por varios

caminos en paralelo.

El Sistema de Red. Es el más usado actualmente en nuestro sistema eléctrico y

consiste como su nombre lo indica en una malla formada por cables de cobre

(aproximadamente 4/0 AWG) y conectada a través de electrodos de varillas

copperweld a partes más profundas para buscar zonas de menor resistividad.

Este sistema es el más eficiente pero también es el más caro de los tres tipos

mencionados. El cruzamiento de los cables al formar mallas aunque

indispensables para una mejor distribución de las comentes, aprovechando

en menor escala el terreno ya que en ese punto un cable es menos

efectivo en una región en donde ya se encuentra otro cable.

Sistema de Placa o Ideal. Este sistema consiste en instalar una placa

metálica en el subsuelo, bajo el área de equipos y estructuras de la

subestación como mínimo.

Este es un sistema ideal desde el punto de vista de seguridad del personal,

aunque la resistencia de la red tiende a ser de cero ohms, los potenciales

peligrosos prácticamente no existen. Por ser ideal es un sistema que sirve de

referencia para estudio.

Page 109: Ramirez rocha

104

4.13.1 Algunas formas de sistemas de tierras.

Existen básicamente tres tipos de electrodos de tierra: barra, conductor y

placa, la malla se le considera como placa para fines de cálculo, siempre que

la separación entre conductores sea la adecuada.

4.13.2 Sistema de Barra.

La barra es el sistema más común y consiste en clavar verticalmente en el

terreno electrodos de tierra que pueden ser de cobre, Copperweld, tubo de

acero perforado y otros.

El diámetro del tubo o barra poco influyen en el valor de la resistencia

eléctrica y se toma más en cuenta la profundidad; así para una profundidad t

del(VER ANEXOS FIGURA 63). la resistencia de tierra de la toma de tierra

tiene un valor aproximado de:

t

pRt Fórmula (4.3 )

Donde:

t = es la profundidad en metros.

p = es la resistividad del terreno en ohms por metro.

Una realización práctica se muestra en (VER ANEXOS FIGURA 64). Donde

se ve el cambio de 90 grados que tiene el flujo de la comente y el registro

para poder efectuar mediciones.

Page 110: Ramirez rocha

105

En (VER ANEXOS FIGURA 65). Se muestran las dimensiones del registro

según Ruíz Vasallo y el tubo de acero perforado tiene por objeto el poder

inyectar agua o alguna solución salina al subsuelo y con ello aumentar la

humedad y por tanto, la conductividad del terreno.

La tensión de paso que provocan estos sistemas de barra alcanza a influir

hasta los 20 metros como se mencionó antes.

4.14 SISTEMAS DE TIERRAS PROFUNDAS.

En el sistema de tierras profundas mostrado en(VER ANEXOS FIGURA 66).

que se introduce en el terreno un cuerpo de gran superficie, donde el

conductor a tierra está aislado. Si consideramos el aislamiento para las

tensiones que produce un rayo, este no es económico.

La resistencia de la puesta a tierra viene expresada por:

OHMS

t

ddR

41

1

2 Fórmula (4.4.)

Donde:

p = resistividad del terreno en ohms-metros.

d = diámetro de la toma de tierra en metros.

t = profundidad en metros.

Page 111: Ramirez rocha

106

4.15 SISTEMAS DE TIERRA EP-C.

El sistema de tierra mostrado en(VER ANEXOS FIGURA 67). Utiliza

electrodos de desgaste de magnesio y un conductor en forma toroidal para

disipar la corriente en el subsuelo, en el desconectado el cambio de dirección

es de 85 grados y lo más interesante es que la profundidad del sistema es de

sólo 1.10 metros.

4.16 SISTEMAS DE TIERRAS EN FORMA DE PLACA.

El uso de sistema de tierra en forma de placa da más control en el tipo de

terreno donde se instala ya que al tener que efectuar la excavación, se

palpa el tipo de suelo donde quedará instalado el sistema.

En el sistema implantado por los franceses en 1890, una placa de cobre de

70 a 80 centímetros de diámetro, conformaba el sistema. En (VER ANEXOS

FIGURA 68). Se muestra ésta configuración donde el conductor es soldado

con estaño o soldadura de cobre pudiendo ser esta unión al centro o en su

periferia; la práctica muestra que la soldadura de estaño, no es conveniente

aunque lo siguen usando, como por ejemplo: "Pararrayos Hernández" de

Guadalajara,

4.17 OTROS SISTEMAS DE TIERRAS.

En el sistema de pararrayos Español, que se muestra en (VER ANEXOS

FIGURA 69).está constituido por una placa de cobre estaño o de hierro

galvanizado, con una superficie de un metro cuadrado y de 2 a 5 milímetros de

espesor, se entierra a una profundidad mínima de 2 metros, donde se elige el

lugar más húmedo. La placa se rodea de carbón triturado y cuenta con un

tubo para verter agua periódicamente. Nosotros no estamos de acuerdo con la

colocación del tubo para humedecer, por la descarga de retomo. En(VER

ANEXOS FIGURA 70).,

Page 112: Ramirez rocha

107

se muestran otros tipos de redes de tierras que por la dificultad que presentan

en su instalación se mencionan únicamente, la fórmula de su resistencia

aproximada es igual que para el sistema de malla o pletina de (VER

ANEXOS FIGURA 71).. Es de hacerse notar el cambio de dirección de 90

grados en el flujo de la corriente que como ya se vio aumenta la impedancia

total del sistema. Existen otros sistemas que no mencionamos aquí, que por

falta de conocimiento de ellos o su poco interés, práctico, no se tomaron

en consideración.

4.17.1 Electrodo de conexión a tierra.

Este electrodo consta de dos elementos con los cuales se obtiene una

doble conexión a tierra, que ofrece mayor eficiencia y confiabilidad. Uno

de estos dos elementos se encuentra en la parte inferior del electrodo y

consiste en una barra de acero cobre la cual permite una penetración más

profunda en el subsuelo. El otro elemento se encuentra en la parte superior

del electrodo y consiste de un tubo de cobre que contiene una química que

fluye de inmediato a lo largo de la barra mencionada a través de un orificio que

se encuentra en la tapa inferior del tubo y penetra en el subsuelo

proporcionando una mejor conexión a tierra. Esta solución química puede

reponerse, cuando sea necesario, introduciéndola al tubo por su extremo

superior, procurando colocar la tapa nuevamente.

4.17.2 Instrucciones para su instalación.

Haga una pequeña excavación de un metro de profundidad y clave la barra

al centro de ésta procurando que la barra sobresalga cuando menos 5 cm;

por encima del lecho de la excavación y atornille firmemente el tubo del

electrodo de esta barra. Rellene la excavación, pisone la tierra conforme

se vaya rellenando.

Page 113: Ramirez rocha

108

Es cuando la solución química dentro del tubo, actúa y hace un contacto con

la tierra, con lo que tenemos una dualidad, la del electrodo y el de la solución

química, obteniendo así una resistencia de contacto más baja.

1: Haga una excavación de un metro de profundidad

2.-Clave la barra al centro del fondo de la excavación

3.-Centre el electrodo encima de la varilla cobre, y atornille a la varilla

4. Rellene la excavación y pisone la tierra conforme se vaya rellenando

4.17.3 Beneficios que se obtienen con los electrodos electroquímicos.

1).- Hay técnicas que pueden checar tierras, pero las soluciones son muy

pobres y no resuelven los problemas de las corrientes estáticas.

2).- Recuerden que si se encuentra voltaje en el neutro, es acumulativo de

comentes estáticas y esto es lo que provoca el corto circuito, con los

electrodos electroquímicos no sucede esto.

3).- Los problemas de tierras físicas, es un problema serio, no hay que dejarlo

en mano de improvisados, hay que buscar al especialista.

4).- Recuerden que los equipos electrónicos trabajan de 2.5 a 2 ohms, y

el acumulamiento de corrientes estáticas no son absorbidas por las

varillas copperweld, esto lo hace únicamente los electrodos marca

R.A.M.I.E.S.A.

5).- Los avances tecnológicos hay que aplicarlos para no quedar obsoletos,

no se fié de charlatanes.

6).- Protege y absorbe corrientes estáticas de los equipos electrónicos.

7).- Disminuye I2 y ahorra demanda máxima, KW-H, KVAR-H. 8).- Protege

contra Icc y corrige desbalanceo de fases.

9).- Aumenta la vida de los equipos eléctricos y disminuye el mantenimiento.

10).- Evita el calentamiento de los equipos eléctricos.

11).- Parece que es caro, pero se amortiza con el tiempo por el ahorro de

energía eléctrica.

12).- Es el único patentado en México por sus pruebas de laboratorio.

13).- Es un avance tecnológico.

Page 114: Ramirez rocha

109

Este electrodo consta de dos elementos, con los cuales se obtiene una

doble conexión a tierra, que ofrece mayor eficiencia y confiabilidad Uno

de estos dos elementos se encuentra en la parte inferior del electrodo y

consiste en una barra de acero de cobre la cual permite una penetración

mas profunda en el subsuelo.

El otro elemento se encuentra en la parte superior del electrodo y

consiste de un tubo de cobre que contiene una sustancia química que fluye de

inmediato a lo largo de la barra mencionada a través de un orificio que se

encuentra en la tapa inferior del tubo y penetra en el subsuelo

proporcionando una mejor conexión a tierra.

Esta solución química puede reponerse, cuando sea necesario,

introduciéndola al tubo por su extremo superior, procurando colocar la

tapa nuevamente. (VER ANEXOS FIGURA 72).

Page 115: Ramirez rocha

110

5.0 FACTORES IMPORTANTES PARA EL DISEÑO DE RED DE

TIERRAS

5.1 RECOMENDACIONES PRÁCTICAS PARA LA MEDICIÓN DE LA

RESISTIVIDAD DEL TERRENO EN EL ÁREA DONDE SE CONSTRUIRÁ

UNA SUBESTACIÓN.

Las mediciones de resistividad deberán hacerse en el área en donde se

edificará la subestación, siguiendo el método descrito anteriormente. Las

mediciones deberán hacerse en la época de no lluvias, ya que así se obtendrán

valores más críticos de resistividad y en cuanto a la forma de realizar las

mediciones en el área de la subestación, se deberá proceder de acuerdo a la

siguiente alternativa.

Ya que se conoce el área donde se instalará la subestación, las mediciones se

efectuarán en las siguientes direcciones recomendadas y descritas en (VER

ANEXOS FIGURA 73).

La figura anterior muestra las direcciones y longitudes recomendadas, para las

mediciones de resistividad.

Para esta alternativa, las mediciones al realizarse con el método, se indicarán

con una separación de tres o cinco metros, según sea la profundidad necesaria

de electrodos para darles firmeza al enterrarlos.

Las mediciones deberán realizarse aumentando la separación entre electrodos

de dos o tres metros entre cada uno de ellos y deberán continuarse hasta llegar

a una separación máxima entre electrodos.

Así mismo, durante las mediciones de campo deberá realizarse la gráfica

correspondiente de resistividad contra separación de electrodos.

Page 116: Ramirez rocha

111

Los aparatos de mayor uso para la medición de la resistividad de la tierra son

conocidos como megger de tierras y por su principio de operación pueden ser

de dos tipos:

a).- Megger del tipo compensación de equilibrio en cero.

b).- Megger de lectura directa.

5.1.2 MEGGER DE EQUILIBRIO EN CERO.

En megger de equilibrio en cero genera una corriente alterna, con lo cual, al

inyectarla, no se tiene problemas con la aparición de corrientes parásitas del

tipo electrolítico, este aparato se maneja de la manera siguiente:

Se acciona la manija o el interruptor de presión, según sea el caso siguiendo el

sentido de la desviación de la aguja el valor de indicación de las perillas deberá

aumentar (para una desviación positiva) o deberá disminuirse (para una

desviación negativa).

Con ayuda de las tres perillas se logra la estabilización en el centro de la

escala de la aguja indicadora. El valor de la resistencia medida es el mostrado

en las escalas correspondientes a cada perilla, multiplicado por el factor de

escala seleccionado. La ventaja básica de este instrumento es la disminución

de errores de lectura, ya que el valor correspondiente a la resistencia se

obtiene directamente en las escalas numéricas

5.1.3 MEGGER DE LECTURA DIRECTA.

El megger de lectura directa, genera una corriente continua, que invierte su

polaridad periódicamente para poder evitar la aparición de corrientes parásitas

del tipo electrolítico, presente en el suelo y que pueden alterar las mediciones.

Para accionar el medidor, es necesario accionar un dinamo manualmente. La

desviación de la aguja indicará directamente el valor de la resistencia medida

en ohms.

Page 117: Ramirez rocha

112

La ventaja de utilizar este tipo de aparatos se observa cuando se tienen

resistividades del suelo, muy grandes, situaciones en las que el equipo de

balanceo nulo, requiere la inyección de grandes corrientes para lograr la

compensación y así permitir la lectura de la resistencia.

5.1.4 ACCESORIOS

A).-Cables. Para realizar la conexión de los electrodos a las terminales del

instrumento de medición, se debe seleccionar un cable eléctrico aislado y

flexible (Calibre 14 o 12 AWG) en general son las consideraciones

mecánicas las que determinan las características. Para su enrollamiento

rápido, se recomienda construir un sistema devanador, que permita reducir,

en forma importante el tiempo empleado en la medición.

b).-Electrodos: Los electrodos estarán constituidos por un material con dureza

suficiente, que les permita soportar el trabajo de campo. Usualmente se

recomienda varillas de una longitud aproximada de 60 centímetros y un

diámetro de 16 milímetros.

c ).-Otros.- Además de instrumento de medición, los cables y electrodos, se

hace necesario contar con una cinta métrica de aproximadamente cincuenta

metros, un martillo con el peso adecuado, un termómetro y una cámara

fotográfica si se desea.

5.1.5 PARÁMETROS QUE AFECTAN LAS MEDICIONES DE RESISTIVIDAD.

La deducción simplificada para la obtención de la resistividad está basada en

suponer que la resistencia del suelo es uniforme. Sin embargo, es más

frecuente que la resistividad aparente, ya que si se mide por el método anterior,

variará con el espaciamiento de la sonda. Esto indica normalmente una

resistividad del suelo que varía con la profundidad, ya que la corriente de

prueba, fluye principalmente cerca de la superficie para pequeños

espaciamientos de sonda, pero la corriente fluye a mayor profundidad a

espaciamientos mayores.

Page 118: Ramirez rocha

113

Es costumbre asumir en tales casos, que la resistividad aparentemente medida

para determinado espaciamiento de la sonda "A" representa la resistividad

promedio del suelo, a una profundidad "B", es aceptable para la mayoría de los

casos y/o propósitos prácticos.

Los registros de mediciones de resistividad deben incluir datos de temperatura

e información acerca de las condiciones de humedad del suelo o resequedad

del mismo, en la época en que se mide la resistividad. Todo disponible sobre

conductores enterrados conocidos ó que se sospechaba, que se encuentran en

el área estudiada y deberá también registrarse.

Los conductores enterrados, en contacto con el suelo pueden naturalmente

invalidar las lecturas hechas por el método descrito, si están suficientes cerca

para alterar apreciablemente el patrón de flujo de corriente de prueba. Por esta

razón, las mediciones de resistividad de este tipo, tienen poco valor en un área

en donde ya están instalados conductores enterrados con las sondas

colocadas de tal forma que minimice el efecto de los conductores enterrados en

el patrón de flujo de corriente. Aunque no son conclusivas con relación a las

condiciones dentro de la rejilla, tales leguas pueden ser

Mejores, especialmente si existe una razón para pensar que el suelo en el área

es razonablemente homogéneo.

La tierra se comporta esencialmente como una pura resistencia a la frecuencia

industrial y con valores comunes a la resistividad.

Las frecuencias muy elevadas o los frentes de onda ABRUPTOS, con muy

elevada resistividad del suelo, tienden a hacer las corrientes de cargas que

influyen en capacitancía de tierra relativamente más importantes.

Para voltajes muy elevados, el suelo no puede ser capaz de sostener los

elevados gradientes y arcos resultantes que se formarán, iniciándose en la

superficie del electrodo y progresando hacia la superficie de la tierra,

incrementando así las dimensiones efectivas del electrodo, hasta que el suelo

pueda soportar los gradientes permanentes.

Page 119: Ramirez rocha

114

5.2 EFECTOS DEL GRADIENTE DE VOLTAJE.

La resistencia no se afecta por el gradiente de voltaje, a menos que este último

exceda un valor crítico. Este valor varía con la naturaleza del suelo, pero es de

orden de algunos kilovolts, por centímetro. Si se exceden los valores, los arcos

se iniciarán en la superficie del electrodo y progresarán dentro de la tierra de

manera de incrementar el tamaño efectivo del electrodo hasta que los

gradientes más allá, se reducen a valores que pueda resistir el suelo. Como el

sistema de aterrizado de la estación estará diseñado normalmente para

mantener los gradientes bien abajo de estos valores críticos puede asumirse

que la resistencia y la resistividad no son afectados por el voltaje.

5.3 EFECTOS DE LA HÚMEDAD.

La resistividad de los suelos se eleva abruptamente, cuando el contenido de

humedad cae más abajo de aproximadamente 22% por peso. Por lo tanto

siempre que sea posible, el sistema de electrodos deberá enterrarse a una

profundidad tal, que permita un contacto seguro con la tierra permanentemente

húmeda. Cuando esto no sea posible, se tomará en cuenta una mayor

dependencia en un sistema bien distribuido de varillas verticales unidas a la

rejilla y alcanzando capas más profundas.

Las cubiertas con grava o piedra triturada, usualmente de ocho a diez

centímetros de espesor. Como las que se usan frecuentemente en patios de

subestación, son útiles para retardar la evaporación de la humedad y por lo

tanto limitan el reconocimiento de la capa superior durante periodos

prolongados de sequía: así como también, sirve para reducir la magnitud de las

comentes de choque.

Page 120: Ramirez rocha

115

5.4 EFECTOS DEL CONTENIDO QUÍMICO.

Como es conocido, la composición y la cantidad de sales solubles, ácidos o

alcalinos que el suelo puede tener, hace variar ampliamente la resistividad del

mismo. Por ejemplo, en algunos lugares la resistividad del suelo es tan alta que

para tener conexiones de baja resistencia a tierra, sería necesario instalar un

costoso y elaborado sistema de electrodos.

La alternativa es reducir la resistividad del suelo inmediatamente alrededor de

las varillas enterradas, disolviendo en la humedad normalmente contenida,

alguna sustancia la cual es altamente conductora en su solución de agua.

Existen muchas substancias, las usuales son: Carbonato de sodio (Na2CO2),

Cloruro de Calcio (Ca Cl2), Cloruro de Sodio (NaCl) y sulfato de cobre (Cu

SO4), el Cloruro de Sodio, conocido como sal, ha sido usado preferentemente

en la vecindad de los electrodos.

La tabla 5.1 muestra una gran reducción en mala resistividad de barro arenoso

al_ incrementarse el contenido de sal, se puede notar que la adición de sal

equivalente a un 20% del paso del contenido de humedad, da por resultado

una reducción en la resistividad de esta muestra en 100 a 1. La temperatura del

suelo fue de 17 °C, y con un 15 % de humedad.

CONTENIDO DE SAL

(% POR PESO DE HUMEDAD)

RESISTENCIA EN OHMS

METROS

10,700

0.10

_

1,800

1.00 460

5.00 190

10.00 130

20.00 100

TABLA 5.1

Page 121: Ramirez rocha

116

La aplicación más simple de este tratamiento, es hacer una excavación con

una base alrededor de la parte superior de la varilla, de 90 cm., de profundidad

y aplicar re esta base el agente artificial, posteriormente dicha base será

llenada varias veces agua, la cual será embebida en el terreno, llevando el

tratamiento artificial en forma electrolítica a profundidades considerables.

La marcada reducción de resistividad del suelo afectada por la sal, siendo el

terreno de arcilla roja, el contenido de humedad 30%, mediando 27 libras de

agua por de suelo, puesto que un pie cúbico de tierra seca pesa

aproximadamente 90 libras. 1% de sal en este caso, será por lo tanto 0.27

libras de sal-por pie' de suelo.

Estación de sal y agua forma un porcentaje de solución, el cual reduce la

resistividad del o desde 4,500 a 500 ohms por centímetros cúbicos. La

resistividad es de éste modo reducida a casi el 12% de su valor original.

Un terreno al que se ha agregado sal, también está sujeto a una considerable

variación e resistividad con variaciones en la temperatura. La tabla 5.2 nos

muestra el efecto de la temperatura sobre la resistividad de un terreno de barro

arenoso, con un 20% de humedad y 5% de sal del peso de humedad.

La elevación de la resistividad a temperaturas abajo del punto de congelación

del agua es tan grande como las que se observan en terrenos que no están

tratados con sal.

TEMPERATURA

(GRADOS CENTIGRADOS)

RESISTENCIA

VOLUMETRICA

(OHMS/CM3) 20 110

10 142

0 190

-5 312

-13 1,440

TABLA 5.2

Page 122: Ramirez rocha

117

Si el tratamiento de sal es usado, será necesario emplear electrodos cuyo

material no se afectado por la presencia de sal en el terreno.

5.5 EFECTO DE LA TEMPERATURA.

La resistividad de los suelos se eleva abruptamente, cuando la temperatura cae

abajo de 0°C, por lo tanto el sistema de electrodos debe extenderse abajo de la

línea de penetración, siempre que sea posible.

Al incrementarse la temperatura arriba de 0°C. La resistencia disminuye, sin

embargo en caso de una fuerte corriente prolongada, puede llegar al punto de

ebullición del agua en las cercanías de un electrodo, de manera que da por

resultado que se seque el suelo y se presente una elevada resistividad. No

obstante tales condiciones rara vez se encuentran en la instalación de una

subestación.

5.6 MÉTODOS DE REDUCCIÓN DE VALORES DE RESISTENCIA Y

RESISTIVIDAD DEL TERRENO.

La superficie de la tierra tiene una conductividad muy baja ya que dos de sus

principales componentes el óxido de silicio y el óxido de aluminio son

excelentes aislantes eléctricos a ciertas temperaturas, sin embargo la

conductividad del terreno se debe a la humedad y a sales absorbidas por el

terreno.

Por otro lado, aún los semiconductores son capaces de conducir cantidades

apreciables de corriente con solo poseer un área suficientemente grande, a

este respecto la tierra no presenta limitaciones dada su gran profundidad.

Debido a la gran resistencia eléctrica de la tierra, todas las comentes que

fluyen por ella producen una caída de tensión considerable, por lo tanto se

hace necesario romper el concepto de que el potencial de la tierra es siempre

cero.

Page 123: Ramirez rocha

118

Por el contrario pueden desarrollarse en su seno fuertes intensidades de

campo eléctrico o gradientes de potencial que afecta a extensas regiones de la

superficie terrestre, esto se acentúa en vista de que ésta no es homogénea y

sufre variaciones estaciónales con la lluvia, hielo y otras causas que dificultan

los cálculos con mayor exactitud.

La resistividad es, por tanto, dependiente de varios parámetros como son:

clase de suelo, profundidad, humedad, temperatura y por ciento de

concentración de sales en la tierra, etc.

CONTENIDO DE

HUMEDAD % DEL PASO

RESISTENCIA EN OHMS-METROS

SUPERFICIE ARCILLA, ARCILLA

ARENOSA 0 MAYOR QUE 10" MENOR QUE 10'

2.5 2500 1500

5 1650 430

10 530 185

15 190 105

20 120 63

30 64 47

TABLA 5.3: Efecto del Contenido de Humedad en la Resistividad del Suelo

Page 124: Ramirez rocha

119

TEMPERATURA

EN GRADOS

CENTIGRADOS

EN GRADOS

KELVIN

RESISTENCIA EN

OHMS

METROS 20 68 72

10 50 99

0 32 AGUA 138

0 32 HIELO 300

-5 23 790

-15 -14 3300

TABLA 5.4: Efecto de la Temperatura en la Resistividad del suelo.

5.7 EFECTO DE LA TEMPERATURA SOBRE LA RESISTIVIDAD DEL

SUELO.

AGREGADO DESALEN % DE

HUMEDAD

RESISTENCIA EN OHMS

METROS 0.00 127.00

0.10 128.00

1.00 4.60.00

5.00 1.90

10 00 1.30

20.00 1.00

TABLA 5.5: Efecto del Contenido de Sal en la Resistividad del Suelo

(Arcilla, Arenosa, con 15% de Humedad, temperatura 17°C)

Page 125: Ramirez rocha

120

Ejemplo de algunas sales: Cloruro de Sodio, Sulfato de Cobre, Carbonato de

Sodio etc.

ARCILLA ARENOSA, CON UN

20°C, SAL 5% DE PESO DE humedad

HUMEDAD

TEMPERATURA EN GRADOS

CENTÍGRADOS

RESISTENCIA EN OHMS

METROS 20 1.10

10 1.42

0 1.90

-5 3.12

-3 14.40

TABLA 5.6: Efecto de la Temperatura Sobre la Resistividad del Suelo con

Contenido te sal.

Cuando las resistencias de la red de tierras son verdaderamente bajas, con

relación a las necesidades del sistema eléctrico, éstas deben ser mejoradas

interviniendo en cualquiera de sus variables, para lo cual se exponen varios

métodos.

Electrodos Simples: Se instalan varillas múltiples para aumentar el número de

trayectorias en paralelo a tierra. Es muy importante una distribución adecuada,

ya que si esas varillas se instalan demasiado cerca, las ondas de disipación de

comente se traslapan y reducen su eficiencia.

Para el caso de varillas de tres metros y enterradas verticalmente, la

separación entre varillas sería de 6 metros, siendo incosteable separarlas más

porque aumentaría el costo del conductor que las une.

Page 126: Ramirez rocha

121

Una regla práctica para estos casos: no instalar varillas más cerca de su propia

longitud, e instalarlas preferentemente a una cercanía, no menor de dos veces

su longitud y no en el centro.

Tratamiento del Terreno (Métodos Químicos): Para disminuir la resistencia

del subsuelo se le disuelve substancias de alta conductividad en solución

acuosa como son: Sulfato de cobre, cloruro de calcio, sulfato de magnesio,

cloruro de sodio, azufre, rocas de sal combinadas con agua:

Se obtienen grandes reducciones y uniformidad de la resistividad comparado

contra un suelo no tratado.

Si un terreno es tratado con sales, éste debe ser generado periódicamente y

obliga a un seguimiento frecuente del comportamiento de los valores de

resistencia de tierra, pues de lo contrario este regresa a su estado natural en 3

ó 4 años, ya que las sales pierden sus propiedades.

Electrodos Profundos: La poca humedad puede aumentar significativamente

la resistividad, especialmente cuando el contenido del agua es por abajo del

10%, con humedad entre 10 y 20% mejora la resistividad y arriba del 20% la

resistividad se estabiliza.

No es práctico el agregar humedad al suelo pero afortunadamente existe en el

subsuelo capas más profundas con alto contenido de humedad. Si las varillas o

electrodos son acopladas mecánicamente al alcanzar esa profundidad y

humedad, se toca una tierra de baja resistencia, aunado al efecto de punta de

la varilla que es por donde se concentra y disipa mayor porcentaje de corriente

de 4.4 amperes.

Electrodos de Bentonita: La bentonita es un material compuesto

fundamentalmente de arcilla y ésta contiene hidrosilicatos de aluminio, siendo

éste elemento el que fija las cualidades principales de la bentonita que son:

Page 127: Ramirez rocha

122

Facilidad ínter-cristalina de dilatación.

Permeabilidad de los poros y espacios ínter-cristalinos

higroscópico.

Con la absorción de la humedad cambia el volumen y la forma externa de sus

partículas.

Es coloide y tiene partículas menores de 500 micrones, con grandes superficies

exteriores, la base de la gran energía de absorción y adhesión que poseen las

bentonitas:

1).- No ataca a los metales

2).- Es soluble en agua y la solución es alcalina.

EL PROCEDIMIENTO BÁSICO PARA INSTALACIÓN DE ELECTRODOS DE

BENTONITA ES EL SIGUIENTE:

En el terreno o roca se hace una perforación con una profundidad de 6 a 8

metros y un diámetro de 4 y 5 centímetros con barrena o herramienta

adecuada, si el terreno lo permite se hace una perforación manual más amplia.

En el fondo de la perforación debe hacerse una "cámara de explosión", con

explosivos de baja sensibilidad para formar una red de grietas, que partan

desde la perforación.

Para rocas areniscas y piedra caliza es suficiente con un tiro de explosivos, en

roca se requiere de varios con carga de 5 a 10 kg., y en roca blanda con 2 kg.

Page 128: Ramirez rocha

123

Para preparar la solución que se vierte en la perforación se disuelve en un

metro cúbico de agua, 100 a 150 kgs., de bentonita y de requerirse una

solución más concentrada porque se filtró demasiado entre las grietas; ésta se

aumenta en 15 a 20%.

En la perforación rellena de gel de bentonita, se coloca el electrodo de tierra

que puede ser de fierro redondo sin galvanizar, el cual es protegido de

bentonita contra la corrosión por su acción alcalina, por lo que es innecesario el

galvanizado, o en su caso un electrodo de copperweld.

Resinas Sintéticas: Se puede considerar como un tratamiento químico del

suelo, que consiste en mejorar la conductividad del suelo en la vecindad de los

electrodos, inyectando resinas de bajo peso molecular, del tipo electrolíticos

con un elemento endurecedor, conteniendo principalmente a la amina resínica

y resina sintética que tiene excelente conducción molecular (iónicas).

Este elemento tiene baja resistividad, es uniforme si no varía la humedad del

subsuelo y mantiene una baja resistencia durante un largo tiempo, no tiene

variación estacional.

SUSTANCIA

RESISTIVIDAD DE LA TIERRA

EN OHMS-METROS

TERRENOS DE ALTA

RESISTIVIDAD

AL REDEDOR DE 10

ARCILLA ( BENTONITA ) CON

CONTENIDO DE HUMEDAD.

101

AGENTES PARA

DISMINUCION DE

LA RESISTIVIDAD

(ELECTROLITICOS)

10-1

ELECTROLITICO ÓPTIMO. 10-2

COBRE. 18-3

TABLA 5.7: Resistividad de Distintos Materiales.

Page 129: Ramirez rocha

124

5.8 RESISTIVIDAD DE DISTINTOS MATERIALES.

Electrodos con bentonita en suelos arenosos y permeables con alta resistividad

y fáciles de trabajar.

Las mallas de tierras pueden ser verticales y/u horizontales, la profundidad de

la superficie puede ser de 3 a 6 metros, se agrega la solución de bentonita,

primero con una concentración menor de 6 a 10%, la cual se filtrará con

cavidades y grietas naturales, a continuación se aumenta la concentración

entre 10 y 15% con lo cual se evitarán filtraciones de solución hasta llenarlo y

se introduce el electrodo en el agujero relleno de bentonita.

Los electrodos horizontales se deben hacer en terrenos que se pueden trabajar

fácilmente, haciendo zanjas de por lo menos 70 a 80 centímetros de

profundidad.

Se vierte en la zanja la solución de bentonita de menor concentración de 6 a

10%, posteriormente con concentración de 10 a 15% y si el suelo es

demasiado permeable y las anteriores soluciones desaparecen muy

rápidamente, se aumenta la concentración de lO a 20%.

Posteriormente se tiende el electrodo dentro de la zanja y cubriéndolo se dejará

reposar la solución una o dos horas hasta que gelatinice, antes de rellenar con

la tierra necesaria para cubrir la zanja.

Se recomienda mezclar bentonita con yeso para prolongar la vida útil de la

solución, evitando que emigre ésta, al darle consistencia mecánica y se tiene el

inconveniente de la poca resistencia mecánica de la superficie, a lo largo de

estas trincheras.

Page 130: Ramirez rocha

125

El comité de Normas Americanas (C.S.A.), recomienda los siguientes valores

de resistencia de la red de tierra para una subestación en época de estiaje

(fuera de la temporada de lluvias).

CAPACIDAD DE LA

SUBESTACION

EN KVA

RESISTENCIA EN OHMS

HASTA 1500 15

1501 A 10,000 10

DE 10,000 EN ADELANTE. 2

Page 131: Ramirez rocha

126

6.0 CALCULO DEL SISTEMA DE TIERRAS.

DATOS DEL PROBLEMA:

Se considera una subestación eléctrica, con un transformador de 300 KVA en

23 KV/220-127V, con una impedancia de 4.00% a 60Hz.

Nota:

Se desprecia la contribución de la compañía suministradora de energía.

Se considera ya calculado, el valor de corriente de corto circuito

monofásico.

Dimensiones del terreno:

Largo = 12 metros.

Ancho = 5.40 metros.

Area del terreno = 68.40m2.

IRED = 1 3,500 Amp.

e = 45 ohms-metro.

S = 6000 ohms-metro.

T = 0.65 seg.

Le = 3 metros (longitud de los electrodos).

L = 0.55 metros (profundidad de la red).

Tm =1083 °C (para uniones del tipo soldable)

Ta =30°C

Page 132: Ramirez rocha

127

a): Se procede a calcular el diámetro del conductor principal que

conformará la malla de tierras de la fórmula:

)1.6(

33

1234

log

Formula

t

Ta

TaTmS I RED

Significado de literales

S = Área del conductor en circular mils.

Tm = Temperatura máxima permisible para las uniones soldables

Ta = Temperatura ambiente en grados centígrados, para este caso se toma de

30°C.

T = Tiempo de la falla en segundos.

IRED = Corriente de corto circuito monofásica en el punto de falla medida en

amperes.

Sustituyendo la formula (6.1):

65.033

123430

301083log

13500S

S= 74838.548CM.

Page 133: Ramirez rocha

128

PARA PODER BUSCAR EN TABLAS DEL FABRICANTE EL CALIBRE DEL

CONDUCTOR RESULTANTE ES NECESARIO REALIZAR UNA EQUIVALENCIA

DE CIRCULAR MIL A MILIMETROS CUADRADOS.

1CM. = 5.067x10

S =(74,838.548X5.067x10-4) = 37.921

EN DONDE PARA ESTE VALOR DE AREA LE CORRESPONDE UN

CONDUCTOR CAL. # 1/0 AWG, DESNUDO CON UN AREA DE 53.50mm2,

PERO DE ACUERDO A LA NORMA EN VIGOR SE DEBE DE EMPLEAR

COMO MINIMO EL CAL. # 4/0 DESNUDO, EL CUAL TIENE UNA AREA DE

107.20 mm2,DIAMETRO DE 0.0117 m.

b).- Se procede a calcular el número de electrodos que como mínimo

tendrá la malla de tierras, con lo cual drenará con seguridad las máximas

corrientes de falla a tierra.

Para un electrodo de cobre, con alma de acero y de 3.0 metros de longitud y

1083°C, se tiene que puede drenar con facilidad hasta 500 amperes de

corriente, por lo tanto para el número de electrodos se tiene que:

NUMERO electrodos = (13,500 amp.)/ (500 amp.) =27 electrodos como

mínimo.

)2.6(formulatrodosNumeroElecI

IELECTRODO

RED

Page 134: Ramirez rocha

129

Sustituyendo valores en la formula (6.2)

)500(13500

ampamptrodosNumeroElec

Numero de Electrodos = 27 electrodos minimo

c).-En base a un arreglo inicial de la malla, procedemos a calcular los índices

de Ki. , Km. Lo cual será de utilidad para el diseño por cálculo y de manera

real de la malla de tierras, (VER ANEXOS FIGURA 77).

CALCULO DE LA LONGITUD DE LA MALLA:

)3.6())(17.0(116

))()()()((formula

tKmKiLc

S

REDe I

SIGNIFICADO DE LITERALES:

Km. = Coeficiente que considera los conductores de la malla, en cuanto a

número, calibre y disposición.

Ki = Factor de corrección por irregularidades, tomando en cuenta la

distribución irregular del flujo de corriente a tierra.

e = Resistividad del terreno en ohms-metro.

S = Resistividad del planchón de concreto, en donde se instalará la

subestación eléctrica.

Page 135: Ramirez rocha

130

Para Ki. Se utiliza la fórmula:

)4.6())(172.0(65.0 formulaLKi

L = Es la longitud de los electrodos empleados en la malla de tierras.

t =Tiempo de duración de la falla en segundos

.

)025.3)(172.0(65.0Ki

Ki= 1.166 Metros

Para Km. Se utiliza la formula:

Significado de literales:

D=Disposición de los conductores en una dirección.

NOTA: Se considera en la dirección en donde existe una menor distancia

entre conductores paralelos que conforman la malla de tierras, en donde la

literal "D", se puede encontrar a lo ancho o a lo largo del terreno donde se

localizara la malla. En nuestro caso resulta que "D", se localiza a lo ancho del

terreno,

h=Profundidad de la malla de tierras.

d=Diámetro del conductor empleado para conformar la malla.

)5.6(..........10

9

8

7

6

5

4

3ln

1

16ln

2

12

förmulaxxxhd

Km D

Page 136: Ramirez rocha

131

Sustituyendo los valores, en la fórmula (6.5):

Km = 0.5863

Para la longitud de la malla, obtenida por cálculo: sustituyendo valores, en la

fórmula (6.3)

)6000)(17.0(116

)65.0)(13500)(45)(5863.0)(166.1(Lc

L c =294.742 metros.

Para el cálculo de la longitud real de la malla de tierras:

L real = (Número de elementos a lo largo) (Largo terreno) + (Número de

elementos a lo ancho) (ANCHO terreno) + (3) (número de electrodos)

fórmula (8.6)

L real = (3) (12) + (3) (5.40) + (3) (27)

L real = 133. 20 metros.

4

3ln

1

)0117.0)(55.0)(16(ln

2

1 2

542

Km

Page 137: Ramirez rocha

132

Para que el diseño de la malla de tierras, sea el adecuado, se debe de

cumplir que la longitud real de la malla sea mayor queda longitud de la malla

obtenida por cálculo, por lo tanto:

L calculo > L real, es decir 294. 742 metros es mayor que 133. 20 metros,

por lo que es necesario rediseñar la malla de tierras.

d): Rediseño de la malla de tierras:

Nota: se aumenta un elemento a lo ancho de la malla de tierras., (VER

ANEXOS FIGURA 78).

En este caso observamos que D=(5.4014), y que ahora el número de elementos es

de n = 5

e).- Cálculo de los factores K i, K m, para la obtención de L c y L r.

Para K i, se Sustituyen valores en la fórmula (6.4)

K i = (0.65) + (0.172x5)

K i = 1.51

Para K m de la fórmula (6.5),

K m = 0.2652

8

7

6

5

4

3ln

1

)0117.0)(55.0)(16(ln

2

1 2

542

xxKm

Page 138: Ramirez rocha

133

Para el cálculo de L c, se sustituyen valores en la fórmula (6.3),

)6000)(17.0(116

)65.0)(13500)(45)(2652.0)(166.1(Lc

L c =1 72. 653 metros.

Para la longitud real de la malla de tierras:

L real = (5x5.4) + (5) (12.0) + (3X27)

L real =168.00 metros.

De este nuevo diseño, se observa que la diferencia entre ambas longitudes es de:

L c - L r- = 172.653-168.000 = 4.653 metros.

Con lo cual se observa, que para un mayor margen de seguridad, es

conveniente adicionar a la malla de tierras un total de 8 metros de conductor

como mínimo, lo cual se puede realizar anexando un tramo de 5.4 metros y

3 electrodos más en la malla de tierras.

Calculando nuevamente la longitud de la malla de tierras, partir de la fórmula

(6.6),

L real = (6x5.4) + (5x12.0) + (3X30)

L real = 182.40 metros.

Page 139: Ramirez rocha

134

En este caso observamos que L real > L calculada, es decir, 182. 40 metros es

mayor que 172. 653 metros.

f).-Cálculo de las tensiones de paso y de contacto.

Para la tensión de paso (para una persona de 50Kg):

De la fórmula:

)7.6())(70.0(116Fórmula

tS

SPE

S= Resistividad del planchón de concreto, en donde será colocada la subestación.

t = tiempo de la falla en segundos

Sustituyendo valores en la formula (6.7)

65.0

)6000)(70.0(116ESP

ESP5353.339 volts .

Para el cálculo de Tensión de contacto tolerable:

De la formula (para una persona de 50kg)

)8.6())(17.0(116Fórmula

tS

CSE

Page 140: Ramirez rocha

135

En donde:

S= Resistividad del planchón de concreto, en donde será colocada la subestación.

t = tiempo de la falla en segundos

65.0

)6000)(17.0(116ECS

ECS= 1409.034 Volts.

Para el cálculo del potencial de paso en la malla:

De la fórmula:

)9.6())()()((Fórmula

Kski

LI

ER

REDe

SP

En donde:

K i = Factor de corrección por irregularidades, tomando en cuenta la

distribución irregular del flujo de corriente a tierra.

K s = Coeficiente que considera los conductores de la malla, en cuanto a

número, calibre y disposición.

e =Resistividad del terreno en ohms-metro.

IRED =Corriente de corto circuito en el punto de la falla, en amperes.

L r = Longitud real de la malla de tierras, en metros.

Si K i =1.51, y n=5, de la fórmula:

Page 141: Ramirez rocha

136

)10.6(......4

1

3

1

2

11

2

1

2

1Fórmula

DDDDhhK S

De donde:

K s = Factor geométrico, que depende de la profundidad de la malla, y del

diámetro del conductor empleado.

h = Profundidad de la malla de tierras, en metros.

D = Disposición de los conductores en una dirección.

4

4.5)4(

1

4

4.5)3(

1

4

4.5)2(

1

4

4.555.0

1

)55.0)(2(

1

2

1K S

K s = 0.3561

Sustituyendo valores en la fórmula (6.9),

4.182

)13500)(45)(51.1)(3561.0(ESP

ESP1790.896 Volts

Para el cálculo del potencial de contacto o potencial de la malla: de

la fórmula (6.9 ),

LI

ER

REDe

SP

Kski ))()()((

Page 142: Ramirez rocha

137

En donde:

K i =Factor de corrección por irregularidades, tomando en cuenta la distribución

irregular del flujo de corriente a tierra.

K m =Coeficiente que considera los conductores de la malla, en cuanto a

número, calibre y disposición.

e = Resistividad del terreno en ohms-metro.

I RED=Corriente de corto circuito en el punto de la falla, en amperes.

L r = Longitud real de la malla de tierras, en metros.

Sustituyendo valores en la fórmula anterior, tenemos:

4.182

)13500)(45)(5863.0)(3561.0(ESP

ESP 695.365 Volts.

Del anterior análisis se observa que:

1790.86 volts < 5353.339 volts (tensión de paso)

695.365 volts <1409.034 volts (tensión de contacto)

Para la resistencia de la malla de tierras:

)11.6(4

FórmulaLrr

R ee

Page 143: Ramirez rocha

138

De donde:

R = Resistencia de la malla de tierras en ohms.

r = Radio de una circunferencia equivalente al área de la malla de tierras, en

metros.

L r = Longitud real de la malla de tierras, en metros.

e = Resistividad del terreno, en ohms-metros.

De la fórmula:

)12.6(FórmulaA

r

En donde:

r = Radio de la circunferencia equivalente, en metros.

A = Área de la circunferencia equivalente (área de la malla de tierras), en m2.

Sustituyendo valores en la fórmula (6.12):

)12)(40.5(r

r = 4.5416 m.

Sustituyendo valores en la fórmula (6.11),

4.182

45

)5416.4)(4(

45R

R = 2.723 .

Page 144: Ramirez rocha

139

Se observa que el valor de la resistencia, es menor a los 10 , por lo que

se cumplen con las normas, por otra parte los valores de tensión de paso y

de contacto en la malla de tierras, son menores que los tolerables por una

persona de 50 Kg., por lo que la malla es segura en cuanto a su diseño.

Page 145: Ramirez rocha

140

CAPITULO III

Page 146: Ramirez rocha

141

CONCLUSIONES

Dentro de este proyecto de estudio relacionado con la Ingeniería Aplicada para

La Sección de Pararrayos y Sistemas de tierra, se pudo analizar la importancia

de conocer los criterios de selección y construcción que intervienen para un

eficaz sistema de protección contra descargas atmosféricas, este trabajo de

investigación se realizó con el firme propósito que el estudiante universitario se

interese e involucre en el diseño y construcción de un sistema de protección

contra descargas atmosféricas y que permita cuantificar analíticamente sus

resultados y validarlos.

Page 147: Ramirez rocha

142

BIBLIOGRAFIA

Mermo y C.J. Apuntes, algunos tipos de tormentas eléctricas

. Observadas en México Edit. España, Instituto

De Geofisica de la U.N.A.M.

S.A.R.H. Apuntes de Mete reología

Dirección General, Servicio Metereologico

Nacional México D.F., 1974.

Fleming T. El hombre que desafio el Rayo

Selecciones de Reader's Digest, México D.F.

. 1971.

Ruiz V. Manual de puesta a tierra de equipos

. eléctricos. (4a. Edición ), España 1983.

ANS/ IEEE STO. 80- 1986, IEEE Guide for Safety in A.C.,

. Substacion Grounding.

Nacional Electric Code Earley. Caloggero. Murray.

Handbook. NFPA 1993, U.S.A.

Normas Tecnicas para Nom-001-SEMP.-1999

Instalaciones Electricas. Diario oficial, octubre 1999.

Designing electrical systems. Based on the, 1993 NEC

James G. Stallcup

Editorial Americana Technical Publishers.

Page 148: Ramirez rocha

143

ANEXOS

Page 149: Ramirez rocha

144

Figura 1: Diferencia de potencial contra diferencia de temperatura para los

hielos de agua destilada en contacto firme.

Page 150: Ramirez rocha

145

Figura 2: Diferencia de potencial contra diferencia de temperatura hecho para hielo de agua destilada (en proceso) y hecho de hielo de. NaCl en

una varilla.

Page 151: Ramirez rocha

146

Figura 3: Diferencia de potencial contra diferencia de temperatura hecho

para dos hielos de agua destilada.

Page 152: Ramirez rocha

147

Figura 4: Distribución de las descargas eléctricas en el interior de la nube

tormentosa.

FIGURA 5: Proceso más frecuente de formación de una descarga.

Page 153: Ramirez rocha

148

FIGURA 6: Proceso de descarga de un rayo.

FIGURA 7: Descargas sucesivas de un rayo.

FIGURA 8: Representación de una descarga tierra nube.

Page 154: Ramirez rocha

149

Figura 9: Porcentaje de rayos en función del gradiente del frente de onda.

Figura 10 Porcentaje de rayos en función de su longitud.

Page 155: Ramirez rocha

150

GRÁFICA DE PORCENTAJE DE RAYOS EN FUNCION

DE UNA SOLA DESCARGA

PORCENTAJE DE RAYOS EN FUNCION DE LA CARGA TOTAL PUESTA EN JUEGO

Figura 11 Porcentaje de rayos en función de la carga total puesta en

juego.

Page 156: Ramirez rocha

151

Figura 12: Variación anual de incidentes de rayo y días de lluvia con

truenos

Page 157: Ramirez rocha

152

SISTEMA DE VOLTAJE EN KV FRECUENCIA CE INCIDENCIA DEL RAYO PARA

LCS DIFEFENTES SISTEMAS DE VOLTAJE

Figura 13 Frecuencia de incidencia del rayo para los diferentes sistemas de voltaje.

Page 158: Ramirez rocha

153

Figura 14: Curvas características de porcentaje de número de días con truenos.

Page 159: Ramirez rocha

154

Figura 15. Representación de protección de un pararrayos

Figura 16. Elementos fundamentales de un pararrayos.

Page 160: Ramirez rocha

155

Figura 17. Principales elementos de una instalación de pararrayos

Page 161: Ramirez rocha

156

Page 162: Ramirez rocha

157

Figura 18. Conectores para fijaciones de puntas pararrayos.

Page 163: Ramirez rocha

158

Figura 19. Materiales utilizados para la instalación del pararrayos.

Page 164: Ramirez rocha

159

Figura 20. Tipos de materiales para la fijación e instalación del pararrayos.

Page 165: Ramirez rocha

160

Figura 21. Representación esquemática de la fijación del pararrayos.

Figura 22. Instalación del pararrayos por medio de abrazaderas y

conectores especiales

Page 166: Ramirez rocha

161

Figura 23. Medios de conexión del pararrayos.

Figura 24. Modelo de un pararrayos de Franklin, terminado en punta.

Page 167: Ramirez rocha

162

Figura 25. Pararrayos de Franklin.

Figura 26. Pararrayos de Melsens.

Page 168: Ramirez rocha

163

Figura 27. Formas de puntas del pararrayos de Melsens

Figura 28. Pararrayos pasivo de Kleckner.

Page 169: Ramirez rocha

164

Figura 29. Pararrayos pasivo de Brown.

Page 170: Ramirez rocha

165

Figura 30. Jaula de Faraday. .

Figura 31. Pararrayos radiactivo de Szillard.

Page 171: Ramirez rocha

166

Figura 32 Pararrayos radiactivo B. L. Donelli U. S. PAT. 2, 813, 395 (1953).

Figura 33. Pararrayos radiactivo tipo dipolo.

Page 172: Ramirez rocha

167

Figura 34. Pararrayos radiactivo de Lchtwinc.

Figura 35. Pararrayos de Efecto Corona (acotaciones en mm).

Page 173: Ramirez rocha

168

Figura 36. Trayectorias más convenientes de conductores para pararrayos.

Figura 37. Pararrayos magnetizado.

Page 174: Ramirez rocha

169

Figura 38-39 Terminales aéreas o puntas

Figura 40 Instalación de terminales aéreas o puntas en techos inclinados

Page 175: Ramirez rocha

170

Figura 41 Instalación de terminales aéreas o puntas en azoteas planas o de pendientes ligeras

Figura 42 Instalación de terminales aéreas en salientes con techos

inclinados

Page 176: Ramirez rocha

171

Figura 43 Instalación de terminales aéreas en azoteas con salientes en sus perímetros

Figura 44 Protección proporcionada por terminales aéreas instaladas sobre edificios o niveles altos a zonas situadas en niveles más bajos

Figura 45 Protección proporcionada por terminales aéreas instaladas sobre edificios o niveles altos a zonas situadas en niveles más bajos

Page 177: Ramirez rocha

172

Figura 46 Grafica protección proporcionada por terminales aéreas instaladas sobre edificios o niveles altos a zonas situadas en niveles más

bajos

Figura 47 Instalación de terminales aéreas en chimeneas y ventilas

Page 178: Ramirez rocha

173

Figura 48 Eliminación de desniveles

Figura 49 Tramos transversales techados

Figura 50 Variaciones debidas a las condiciones del subsuelo

Page 179: Ramirez rocha

174

Figura 51 Penetración de terminales de tierra en subsuelo arenoso o de gravilla

Figura 52 Penetración de terminales de tierra en subsuelos tepetatados

Page 180: Ramirez rocha

175

Figura 53 Penetración de terminales de tierra en subsuelo poco profundos

Figura 54 Penetración de terminales de tierra en subsuelo poco profundos

perimetralmente

Page 181: Ramirez rocha

176

Figura 55 Proteccion con pararrayos

Figura 56 Proteccion de un cuadrado

Page 182: Ramirez rocha

177

Figura 57 Proteccion con dos pararrayos

Figura 58 Corte transversal de los conos

Page 183: Ramirez rocha

178

Figura 59 Protección de rectángulo por dos pararrayos

Figura 60 Megger de lectura directa

Page 184: Ramirez rocha

179

Figura 61: Distribución de las caídas de tensión en las tomas de tierra.

Figura 62: Tensión de paso.

Page 185: Ramirez rocha

180

TOMAS DE TIERRA EN FORMA DE PICAS, DISTANCIA MINIMA

Figura 63: Tomas de tierra en forma de placa.

TOMA DE TIERRA EN FORMA DE PICAS, REALIZACION PRÁCTICA

Figura 64: Tomas de tierra en forma de placa, realización práctica.

Figura 65: Pocito de inspección para los electrodos de tierra.

Page 186: Ramirez rocha

181

Figura 66: Tomas de tierras profundas.

Figura 67: Toma de tierras en subestaciones eléctricas de sistemas de

potencia.

Page 187: Ramirez rocha

182

Tomas de tierra en forma de placa

Tomas de tierra en forma de BUCLE Figura 68: Tomas de tierras en forma de bucle.

Figura 69: Tomas de tierra de pararrayos.

Page 188: Ramirez rocha

183

Figura 70: Toma de tierra en estrella, de red estrellada en BUCLE y de red en

malla.

Figura 71: Electrodo electroquímico.

Figura72: secuencia de instalación de un electrodo electroquímico

Page 189: Ramirez rocha

184

Figura 73: Trazado típico para la medición de la resistividad de un terreno.

CARATULA REPRESENTATIVA DE UN MEGGER DE EQUILIBRIO EN CERO

Figura 74: megger de equilibrio en cero.

Figura 75: Megger de lectura directa.

Page 190: Ramirez rocha

185

Figura 76 Toma de lecturas de la resistividad del terreno.

Figura 77: Primer arreglo para el diseño de la malla de tierras para la subestación de 300 Kva en 23 Kv/220-127

Page 191: Ramirez rocha

186

Figura 78: Segundo arreglo para el diseño de la malla de tierras para la subestación de 300 Kva en 23 Kv/220-127

Page 192: Ramirez rocha

187

APENDICE "A" Trueno Se llama así al estruendo que acompaña a las descargas eléctricas producidas en la atmósfera. Su causa física consiste en que al producirse una descarga eléctrica, el aire se calienta en forma instantánea, lo cual determina la súbita expansión de sus moléculas que se proyectan en todas direcciones en busca de mayor espacio. Estas moléculas chocan violentamente con las capas de aire frío que las circundan, y así se origina una gran onda sonora que determina la magnitud del estrépito del trueno. Aunque el relámpago y el trueno tienen liga simultáneamente, el primero se percibe mucho antes, por la diferencia de velocidad entre la luz y el sonido. Como la velocidad de propagación de la luz es (300,000 km./seg) puede considerarse como instantánea para distancias cortas midiendo el tiempo transcurrido entre el relámpago y el trueno puede calcularse la distancia a que se encuentra la tormenta. Rayo Es la descarga de electricidad atmosférica, acompañada de una ráfaga de luz deslumbradora que se produce entre dos nubes, entre nube y tierra y entre tierra y nube. De las descargas antes mencionadas, la que más nos interesa por los efectos destructores que tiene sobre los seres vivos y sobre las cosas que a ellos son útiles, es la descarga nube tierra. Se sabe de la existencia de la electricidad atmosférica y por lo tanto se han expuesto diversas teorías para explicar la acumulación de electricidad en las nubes, que es lo que da origen al rayo. Se ha tratado experimentalmente de producir las condiciones que dan origen a este fenómeno en la naturaleza, sin embargo, este problema es muy complejo y aunque en el laboratorio es posible producir algunas descargas, éstas no son significativas por la gran diferencia entre los valores que se manejan, en lo que se refiere a distancia, comente y tensión, sin embargo, sirve para comprobar la similitud entre ambos fenómenos, demostrando sin lugar a dudas su origen eléctrico. Centella Actualmente la formación de las centellas y ondas de choque asociadas tiene implicaciones significativas en el programa de defensa contra el rayo. El fenómeno natural denominado centella se manifiesta generalmente en dos tamaños distintos, pero siempre presentando una forma de bola; este fenómeno ha sido intensamente estudiado en la Unión de Estados Independientes, pero también ha despertado interés en el mundo occidental y ha sido últimamente blanco de los estudios de muchos investigadores. La centella (bola) es una esfera luminosa del tamaño de una toronja o de una naranja, con un tiempo de vida de pocos segundos, se caracteriza por su alta densidad. Las bolas pueden pasar a través de cristal y de otros materiales y viajar sobre rutas totalmente impredecibles (como lo haría un abejorro) después de menos de cinco segundos, "decaen", ya sea silenciosa o explosivamente. La teoría de las centellas en general las relaciona con fuentes de energía internas o externas. En el caso de las centellas tipo canica, el canal interior del rayo se desmenuza en fragmentos luminosos, cada uno con cerca de diez metros de longitud, se ha establecido la hipótesis de que el desmenuzado es similar a la inestabilidad, "efecto de pellizco" que ocurre en plasmas de alta energía. Generalmente la centella se observa como una descarga eléctrica de alta corriente, a menudo ramificada, en la cual la longitud de sus ramas es del orden de varios kilómetros. La energía por unidad de longitud esperada en un rango de 10

5 Joules por

metro. La última expansión de la fase de onda de choque, dura de 5 a 10 picó segundos. Usando técnicas de electroscópica, la temperatura en fase de la onda de choque se ha medido, dando alrededor de 30,000 grados Kelvin. En varios de ellos se ha encontrado que la energía radiada esta dentro de un rango de 500 a 900 Joules sobre metro.

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188

Figura 1: Carta isoceráunica de la República Mexicana.

Nivel isoceraúnico Se llama nivel isoceraúnico el número de descargas que sucede en una área determinada, usualmente un kilómetro cuadrado, ligando puntos con igual número de descargas por año se obtiene una línea en un mapa geográfico, con igual probabilidad, posterior de descarga, logrando así una carta de nivel isoceraúnico, es decir, con igual probabilidad de descarga por kilómetro cuadrado de superficie. Estudios realizados por la Marina Británica, en el siglo pasado, sitúan a México específicamente el Estado de Chiapas, como el tercer lugar mundial de nivel isoceráunico, con diferente probabilidad de Estados Unidos. La ciudad de México, según estudios realizados por el Dr. Jáuregui de la UNAM, se divide en tres regiones de nivel isoceráunico, teniendo mayor probabilidad de descarga la región Sur y Suroeste; la parte del primer cuadro y norte en segundo lugar y la región Este, en tercer lugar. Así por ejemplo, una instalación camino a Cuernavaca, tiene diferente probabilidad de descarga que el deposito de C L. y. F. C. de la plataforma Militar del Aeropuerto Internacional por lo que la instalación de pararrayos será diferente en su malla de conductores o en el número de conjuntos receptores y en su tratamiento químico, por ser diferente la humedad del terreno. Nivel isoceraúnico según la altura de la instalación. El Manual de Normas de Proyecto del Departamento del Distrito Federal, en su capítulo 11.3, menciona datos de tipo estadístico de la American Lighting Protection Institute de Estados Unidos, que nos dice que: Un edificio de 15 metros de altura es tocado por un rayo una vez cada 4.5 años. Un edificio aislado, de un piso en un terreno de una hectárea, es tocado en promedio, una vez cada cinco años, uno de 10 pisos recibe un rayo por año y uno de 40 pisos, cinco veces al año. El riesgo aumenta, cuando el edificio esta aislado, con espacios abiertos alrededor o cuando el edificio es más alto que las construcciones vecinas. En San Pedro Tultepec, Estado de México, las edificaciones son de un piso y cada año los rayos afectan por lo menos tres casas habitación, de las 750 casas que tiene el poblado.

Page 194: Ramirez rocha

189

Intensidad de corriente. Un dato de importancia fundamental para el cálculo de una instalación de protección contra los rayos, a la intensidad de corriente que puede circular en una sola descarga. Para esto deberá dimensionarse el conductor de conexión a tierra, como veremos adelante. Al respecto hay diversidad de criterios según el autor, así por ejemplo: Cleirici en la figura 2a, nos muestra que el frente de onda alcanza valores de 1,000 Kilo amperes en 10 microsegundos. en la figura 2a, según Lewis solo el 50% de los rayos tienen una intensidad superior a los 13 Kilo amperes y nada más un 10% tiene una corriente superior a los 32 Kilo amperes, mientras que en la misma figura 3a en la parte interior, para Gross, la intensidad de cresta no llega a los 25 Kilo amperes en el 95% de las descargas sobre la líneas de distribución y en la figura 4a para el mismo porcentaje pero medido en centrales y subestaciones el valor de la intensidad de cresta, solamente llega a 12 Kilo amperes. Este hecho se demuestra en estudios realizados en Gran Bretaña, como veremos más adelante por lo que son los valores que nosotros aceptamos, para la intensidad de corriente de una descarga atmosférica. Cleirici, sin embargo, marca en la figura 5a que el 95% de los rayos llega a 160 Kilo amperes.

Figura 2: Onda convencional de corriente.

Figura 3: Gráfica de la corriente de un rayo a través de pararrayos.

Page 195: Ramirez rocha

190

Figura 4: Gráfica de las corrientes a través de un rayo, colocados en estaciones de distribución.

Page 196: Ramirez rocha

191

Figura 5: Gráfica de porcentajes de rayos en función de la tensión.

Page 197: Ramirez rocha

192