Documentos del II Congreso Boliviano de Ing. Mecanica Electromecanica, Realizado el 2005 en Oruro-Bolivia

1. ESTUDIO DE DESCARGAS
ATMOSFERICAS Y
DETERNINACION DEL INDICE DE
RIESGO EN EDIFICASIONES
MANUEL ISMAEL RODRIGUEZ VARGAS
HEBERT HUGO ZABALA ZAMBRANA
U.M.R.P.S.F.X.CH.
SUCRE

2. 1.1.INTRODUCCIÓN
• En cualquier instante dado, aproximadamente 1,800
tormentas eléctricas están en progreso sobre la superficie
de la Tierra. La intensidad media de la descarga de un rayo
se estima en 20,000 amperios, pero se han detectado rayos
de hasta 200,000 amperios.

3. 1.1.INTRODUCCIÓN
• Las características climáticas y montañosa de cada país determina
el número y la intensidad de las tormentas que se producen es decir
el nivel isoceráunico, riesgo que varía dentro de un mismo país. El
conocimiento de las zonas de riesgo es una información importante
para determinar eficazmente el tipo de protección contra el rayo
más adecuado.

4. Mapa mundial con la distribución
de la frecuencia tormentosa

5. 1.2.JUSTIFICACIÓN
• Los efectos de un rayo pueden ser ocasionados por un impacto
directo o por causas indirectas. También pueden alcanzar las
instalaciones interiores de fábricas, hogares, comercios
industrias, etc., a través de las líneas de conexión del suministro
de energía eléctrica, por las líneas de conexión de teléfonos, fax,
modems, televisión por cable , y también a través de la
estructura metálica de los edificios, por contacto directo o por
inducción, por las raíces de los árboles. Por lo cual es necesario
que los equipos estén protegidos frente a todas estas
posibilidades.
• Mientras que un impacto directo puede tener consecuencias
catastróficas para las personas, edificaciones, y animales; los
daños por causas indirectas suelen ser más numerosos,
acompañados de cuantiosas pérdidas económicas. Se entiende
como causas indirectas como la caída de rayos en las
inmediaciones o sobre los tendidos aéreos o las inducciones
electromagnéticas en estos conductores.

6. 1.2.JUSTIFICACIÓN
• No existe método alguno para evitar la formación de
descargas atmosféricas (rayos).Tampoco sería deseable, en
vista que los rayos son responsables en gran parte de la
formación de vida en el universo.
• El propósito entonces es tratar de protegerse contra las
descargas atmosféricas (rayos), controlando el paso de la
corriente de las descargas eléctricas, y así prevenir lesiones
a las personas y daños a la propiedad.
• La primera medida a tomar es interceptar la trayectoria del
rayo y conducirlo a lo largo de un conductor de baja
resistencia, con el fin de que no se recaliente y que no
produzca elevados niveles de voltajes durante la descarga.
Con tal fin, la instalación para protección contra rayos se
debe iniciar con la colocación de un terminal aéreo de
captación, de una adecuada bajante a tierra y un sistema de
electrodos de puesta a tierra.

7. 1.2.JUSTIFICACIÓN
• Un aspecto importante para la realización
de este estudio es por la razón de que la
ciudad de Sucre tiene un nivel muy alto de
descargas atmosféricas. Como se ve en la
siguiente figura.

8. 1.2.JUSTIFICACIÓN

9. 1.2.JUSTIFICACIÓN
• Igualmente en la siguiente grafica podemos
ver que todas fallas presentadas en las redes
de distribución de CESSA (Compañía
Eléctrica de Sucre) son debidas a las
descargas atmosféricas.

10. ESTADISTICAS DE CESSA:
FALLAS QUE SE PRODUCEN EN LA
CIUDAD DE SUCRE

11. 1.2.JUSTIFICACIÓN

12. 1.3. OBJETIVOS DE UN
SISTEMA DE PROTECCIÓN
•
EFICIENTE humana.
Protección y seguridad para la vida
• Protección y seguridad en la operación
electromecánica y electrónica.
• Alta eficiencia mecatrónica, (automatización,
robótica, informática.), evitando paradas y fuera
de servicio.
• Continuidad de operación y cumplimiento puntual
con los programas de aseguramiento de la calidad.
• Reducción de los costos de mantenimiento.
• Calidad de operación y equilibrio ecológico.

13. 2.1.GENERALIDADES
• La instalación o aparato a
proteger tiene que incluirse
dentro de un círculo de
protección imaginario, tal como
representa la figura. En todos
los puntos de corte quot;línea -
círculo de protecciónquot; tienen
que instalarse aparatos de
protección contra
sobretensiones que
correspondan a los datos
nominales del tipo de circuito o
a la interfase del aparato a
proteger correspondiente. De
esta manera, la zona interior del
círculo de protección queda
protegida de forma que no es
posible un acoplamiento de
sobretensiones desde el
exterior.

14. 2.2.LA SOBRETENSIÓN
• Se denomina sobretensión a todo aumento de tensión
capaz de poner en peligro el material o el buen servicio de
una instalación eléctrica. La relación entre la sobretensión
Us, y la tensión de servicio se llama factor de sobretensión
que viene expresado por :

15. 2.2.LA SOBRETENSIÓN
• Por ejemplo en una línea cuya tensión nominal es
de 6 kV, y aumenta la tensión hasta 15 kV, el
factor de sobretensión vale :
• Muchas veces es posible calcular el factor de
sobretensión y, por lo tanto, prever la magnitud de
las posibles sobretensiones que pueden presentarse
en la instalación.

16. 2.3. CLASIFICACIÓN DE LAS
SOBRETENSIONES
• Las tensiones anormales o sobretensiones
pueden clasificarse, según su origen, en dos
grupos: las sobretensiones internas y las
atmosféricas.

17. 2.3.1. SOBRETENSIONES
INTERNAS
• Las sobretensiones internas se forman como
consecuencia de las oscilaciones entre las energías
de los campos magnético y eléctrico producidas
por un arco intermitente, es decir arcos que se
apagan al pasar la corriente alterna por cero, pero
se vuelven a encender cuando la sinusoide de la
tensión toma mayores valores. Estos no se
producen solamente por arqueo de aisladores sino
también en los interruptores cuando desconectan
altas intensidades.

18. 2.3.1. SOBRETENSIONES
INTERNAS
• El carácter de las sobretensiones producidas por tales
oscilaciones, llamadas sobretensiones internas, es
completamente distinta del de la elevación de la tensión debida a
la autoexcitación de máquinas sincrónicas o al efecto Ferranti,
pues en estos dos casos se trata de la elevación de la tensión de
50 Hz ( ó 60 Hz. Según el país ), mientras que las
sobretensiones internas están caracterizadas por ondas de otra
frecuencia que se superponen a la frecuencia básica .

19. 2.3.1. SOBRETENSIONES
INTERNAS
• La frecuencia de las sobretensiones internas está
definida por la frecuencia natural del sistema
siendo :
• donde Csis y Lsis , indican la capacitancia
correspondiente a la inductancia de todo el sistema
de transmisión, y fsis, resulta del orden de 10^3
Hz.

20. 2.3.2. SOBRETENSIONES
ATMOSFERICAS
• El segundo grupo lo forman las sobretensiones de orígen
externo , como las que que penetran en líneas aéreas desde
la atmósfera a consecuencia de golpes de rayo o de
influencia electroestática. Las sobretensiones producidas
por golpes de rayo directos son las más peligrosas por ser
mucho más altas que las internas y las debidas a influencia
electroestática de las nubes. Se incluyen en este grupo, las
sobretensiones que tienen una procedencia exterior a la
instalación y en los que, por lo tanto sus amplitudes no
están en relación directa con la tensión de servicio de la
instalación afectada. Comprenden, sobre todo, las
sobretensiones de origen atmosférico, tales como rayos,
cargas estáticas de las líneas, etc.

21. 2.3.2. SOBRETENSIONES
ATMOSFERICAS
• Las sobretensiones producidas por
fenómenos atmosféricos llegan hasta las
instalaciones de tres formas:

22. 2.3.2 SOBRETENSIONES
ATMOSFERICAS
• Sobretensión conducida
El rayo puede caer directamente en las líneas aéreas,
propagándose la sobretensión a la largo de varios
kilómetros. La sobretensión acaba llegando al usuario y
derivándose a tierra a través de sus equipos produciéndoles
averías o su total destrucción.

23. 2.3.2. SOBRETENSIONES
ATMOSFERICAS
• Sobretensión Inducida
La radiación emitida por el impacto del rayo sobre un objeto (poste,
árbol, pararrayos, etc.) próximo a líneas eléctricas o telefónicas, induce
corrientes transitorias en éstas, transmitiéndolas al interior de nuestras
instalaciones provocando averías o destrucción de los equipos
conectados.

24. 2.3.2. SOBRETENSIONES
ATMOSFERICAS
• Aumento del potencial de tierra
Cuando un rayo cae directamente al suelo o a través de una estructura
conectada a tierra (puede ser un poste eléctrico, un pararrayos, etc.) la
corriente de la descarga del rayo puede elevar el potencial de la tierra
varios miles de Voltios como consecuencia de la corriente que circula
por el terreno.

25. 2.4. PROPAGACIÓN DE LA
SOBRETENSIONES
• Existen tres modos diferentes por los cuales
se pueden propagar las sobretensiones
transitorias en un sistema:
• Acoplamiento galvánico
• Acoplamiento inductivo
• Acoplamiento capacitivo

26. 2.4.1. ACOPLAMIENTO
GALVÁNICO
• Por medio de las impedancias comunes se acoplan sobretensiones
galvánicamente desde una lugar hacia otro.
• Las altas amplitudes de corrientes de rayo causan una sobretensión a
través de la resistencia de tierra de una conexión equipotencial entre
dos aparatos conectadas.
• En los conductores que pasa una corriente de rayo se genera
adicionalmente una sobretensión, que a causa de la gran velocidad de
aumento de corriente se puede atribuir, según la ley UL = L .di/dt,
esencialmente a la componente inductiva.

27. 2.4.2. ACOPLAMIENTO
INDUCTIVO
• El acoplamiento inductivo en una línea tiene lugar a través del campo
magnético según el principio del transformador. Una sobretensión
provoca una corriente transitoria en un conductor con una alta
velocidad de aumento de la di/dt. Al mismo tiempo, alrededor de este
conductor se genera un campo magnético (función del primario de un
transformador). En conductores aledaños que se encuentran en la zona
activa del campo magnético, se induce una sobretensión (función del
secundario de un transformador).

28. 2.4.3. ACOPLAMIENTO
•
CAPACITIVO a través del campo
El acoplamiento capacitivo tiene lugar, en principio,
eléctrico entre dos puntos con gran diferencia de potencial.
• Una parte o un aparato eléctricamente conductor [1] es puesto a un alto
potencial debido a la descarga de un rayo, p.ej. la barra colectora de un
pararrayos.
• Se genera un campo eléctrico entre [1] y otras partes con potencial inferior [2],
p.ej. una línea de alimentación o de transmisión de señales dentro del edificio.
La tensión entre [1] y [2] tiende a igualarse lo que conduce al transporte de una
carga. Esto aporta un ascenso de tensión en la línea afectada [2] y en el aparato
conectado a ésta.

29. 2.5. FORMACIÓN DEL RAYO
• En condiciones
atmosféricas propicias,
dadas principalmente en
verano, se crea dentro de
la nube una separación de
cargas colocándose las
negativas en la base de la
nube mientras las
positivas lo hacen en la
parte superior. El
potencial dentro de la
nube es generalmente del
orden de varios millones
de voltios.

30. 2.5. FORMACIÓN DEL RAYO
• Este efecto produce un
cambio similar, pero
de polaridad opuesta
en la superficie de la
tierra y del mismo
tamaño
aproximadamente.

31. 2.5. FORMACIÓN DEL RAYO
• El campo eléctrico entre la base de la nube y la superficie de la tierra
situada bajo la misma, es tan alto que se crean pequeñas descargas
desde la nube llamadas líderes de paso. Cuando estos líderes se
acercan a la superficie de la tierra se genera un flujo ascendente de
carga positiva. Cuando el líder de carga y el flujo ascendente se
encuentran se cierra el circuito con una corriente de descarga entre
10kA y 200kA.

32. - -
- - -
-
+ + +
+

33. - -
- - -
-
Campo Eléctrico
+ +
+
+
+
+

34. - -
- - -
-
Campo Eléctrico
+ +
+
+
+
+

35. -
-

36. 2.6. PROTECCIÓN CONTRA
IMPACTO DIRECTO DE RAYO
• Para la protección de estructuras y personas
se hace necesaria la utilización de un
sistemas de protección contra el rayo, el
cual debe atraer el rayo y canalizar las
corrientes hacia tierra.

37. 2.6.1. SISTEMAS PARA LA
PROTECCION ESTERNA
CONTRA EL RAYO
• Tres son los sistemas utilizados en la
actualidad para la protección externa contra
el rayo:

38. PUNTA FRANKLIN
• Su misión es provocar la
excitación atmosférica por
encima de cualquier otro
punto de la estructura a
proteger, para aumentar la
probabilidad que la
descarga incida en su zona
de influencia, y derivar a
tierra la corriente del rayo.

39. TENDIDO
• Protección formada por
uno o múltiples
conductores aéreos
situados sobre la
estructura a proteger. Los
conductores se deberán
unir a tierra mediante las
bajantes en cada uno de
sus extremos. El área
protegida vendrá dada por
el área formada por el
conjunto de conductores
aéreos.

40. JAULA DE FARADAY
• El sistema consiste en
la recepción del rayo a
través de un conjunto
de puntas captadoras
unidas entre sí por
cable conductor,
formando una malla, y
derivarla a tierra
mediante una red de
bajantes conductores.

41. 2.10. CALCULO PARA SABER SI UN
INMUEBLE REQUIERE O NO REQUIERE
PROTECCION
Índice de Riesgo:
Ir = A + B + C + D + E + F + G
Este índice debe ser interpretado de la forma siguiente:
• 0 - 30: Sistema de protección opcional.
• 31- 60: Se recomienda una protección.
• Más de 60: La protección es indispensable.

42. Índice de riesgo A
USO AL QUE SE DESTINA LA ESTRUCTURA VALOR DEL
ÍNDICE A
Casas y otras construcciones de tamaño similar. 2
Casas y otras construcciones de tamaño similar con antenas 4
exteriores.
Industrias, talleres y laboratorios. 6
Edificios de oficina, hoteles, edificios de apartamentos. 7
Lugares de reunión, como iglesias, auditorios, teatros, museos,
salas de exposición, tiendas por departamentos, oficinas de correos, 8
estaciones, aeropuertos y estadios.
Escuelas, hospitales, guarderías infantiles y ancianatos. 10

43. Indice de riesgo B
TIPO DE CONSTRUCCIÓN VALOR DEL
ÍNDICE B
Estructura de acero con techo no metálico. 1
Concreto forzado con techo no metálico 2
Ladrillo, concreto liso o albañilería, con techo no metálico de 4
material incombustible.
Estructura de acero o concreto armado con techo metálico. 5
Estructura de madera o con revestimiento de madera con techo no 7
metálico de material incombustible.
Ladrillo, concreto liso, albañilería, estructura de madera con techo 8
metálico.
Cualquier construcción con techo de material combustible. 10

44. Índice de riesgo C
CONTENIDO O TIPO DEL INMUEBLE VALOR DEL
ÍNDICE C
Inmuebles residenciales oficinas, industrias y talleres con 2
contenido de poco valor, no vulnerable al fuego.
Construcciones industriales o agrícolas que contienen material 5
vulnerable al fuego.
Plantas y subestaciones eléctricas y de gas, centrales telefónicas y 6
estaciones de radio y televisión.
Plantas industriales importantes, monumentos y edificios 8
históricos, museos, galerías de arte y construcciones que
contengan objetos de especial valor.
Escuelas, hospitales, guarderías y lugares de reunión. 10

45. Índice de riesgo D
GRADO DE AISLAMIENTO VALOR DEL
ÍNDICE D
Inmuebles localizados en un área de inmuebles o árboles de la 2
misma altura, en una gran ciudad o bosque.
Inmuebles localizados en un área con pocos inmuebles de la 5
misma altura.
Inmueble completamente aislado que excede al menos dos veces 10
la altura de las estructuras o árboles vecinos.

46. Índice de riesgo E
TIPO DE TERRENO VALOR DEL
ÍNDICE E
Llanura a cualquier altura sobre el nivel del mar. 2
Zona de colinas. 6
Zona montañosa entre 300 y 1000 m. 8
Zona montañosa por encima de 1000 m. 10

47. Índice de riesgo F
ALTURA DE LA ESTRUCTURA VALOR DEL
ÍNDICE F
Hasta 9 m. 2
de 9 m a 15 m. 4
de 15 m a 18 m. 5
de 18 m a 24 m. 8
de 24 m a 30 m. 11
de 30 m a 38 m. 16
de 38 m a 46 m. 22
de 46 m a 53 m. 30

48. Índice de riesgo G
NÚMERO DE DÍAS DE TORMENTAS VALOR DEL
POR AÑO ÍNDICE G
Hasta 3. 2
de 3 a 6. 5
de 6 a 9. 8
de 9 a 12. 11
de 12 a 15. 14
de 15 a 18. 17
de 18 a 21. 20
más de 21. 21

49. EJEMPLO TIPO PARA
INSTALACIONES DE PARARRAYOS
EN LA CATEDRAL DE SUCRE

50. Según las tablas anteriormente expuestas se obtiene lo
siguiente:
A=8
B=8
C=8
D = 10
E = 10
F=8
G = 21
Ir = 73 Resultando Más de 60: La protección es indispensable.
. Por consiguiente es recomendado instalar protección con
pararrayos.

51. CRITERIO DE SELECCIÓN DE DESCARGADORES I max
Los factores que determinan la
selección de la Imáx. de los
protectores son: La zona
geográfica, la proximidad de
pararrayos, el coste del equipo y lo
más importante, el coste de la
inoperatividad del equipo tanto el
valor económico de tener paradas
las instalaciones, como la imagen
delante de los clientes.
El diagrama a nuestra derecha es una
ayuda para la selección de P1 en
función de Imax. que debe soportar
el protector que se seleccione como
cabecera para instalar en la entrada
de la acometida.

52. • NIVEL DE PROTECCIÓN (Up)El
nivel de protección (Up) es el valor
de tensión admisible por los equipos
que se desean proteger sin que se
vean dañados. Un protector debe
asegurarnos que la tensión entre sus
bornes (Up) cuando esté
descargando a tierra será inferior a la
soportada por el equipo a proteger.
• Para determinar Up debe tenerse en
consideración las diferentes
sublíneas, ya que requieren valores
distintos de nivel de protección (Up)
en función de los equipos conectados
a ellas. Normalmente se conectan
equipos similares en las diferentes
sublíneas.

53. Ejemplos a título orientativo de Up
soportados

54. GRACIAS POR
SU ATENCION