SISTEMA DE PROTECCIÓN CONTRA DESCARGAS ATMOSFÉRICAS EN EDIFICIOS APLICANDO LA NORMA NMX-J- 549

UNIDAD PROFESIONAL ADOLFO LÓPEZ MATEOS DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA ELÉCTRICA

Dz

SISTEMA DE PROTECCIÓN CONTRA DESCARGAS

ATMOSFÉRICAS EN EDIFICIOS APLICANDO LA NORMA

NMX-J- 549

dz

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E

S

I

S

QUE PARA OBTENER EL TÍTULO DE INGENIERO

ELECTRICISTA

PRESENTA

MARÍA MIREYA CASTILLO HERRERA

ASESORES

ING. CARLOS ALBERTO GONZÁLEZ ANDRADE M. en C. JUAN ABUGABER FRANCIS

A mis padres

Por brindarme su apoyo incondicional durante mi vida académica, por exhortarme a seguir adelante a pesar de los obstáculos y dificultades, por cuidarme y velar por mí todos los días, por el sacrificio que han dado para que yo lograra terminar mis estudios y para tener una mejor calidad de vida. Pero sobre todo por darme su cariño y enseñarme los valores de familia.

A mis hermanos

Por mostrarme su apoyo moral en los momentos buenos y malos, por su confianza y por alentarme a seguir adelante sea cual sea el obstáculo.

A mis profesores y asesores

Por compartir sus conocimientos y enseñarnos las bases de la carrera..

A la empresa PYSEE

Nomenclatura ... I Relación de figuras ... III Relación de tablas ... V Resumen ... VI Introducción ... VII

Capítulo 1. Descargas atmosféricas y sistemas de protección contra

descargas atmosféricas. ... 1

1.1 Descargas atmosféricas ... 2

1.1.1 Teorías sobre la formación de descargas. ... 5

1.1.2 Valores de una descarga atmosférica. ... 8

1.2 Sistemas de protección contra descargas atmosféricas (SPDA) ... 11

Capítulo 2. Sistema de protección contra tormentas eléctricas (NMX-J-549). ... 20

2.1 Sistema de protección contra tormentas eléctricas ... 21

2.2 Valoración de riesgo ... 26

2.3 Terminales aéreas ... 28

2.4 Conductores de bajada ... 30

2.5 Criterios de cálculo para el sistema de tierra ... 35

Capítulo 3. Sistema Externo de Protección contra Tormentas Eléctricas en un edificio de 29 m de altura... 38

3.1 Descripción del edificio a proteger ... 39

3.2 Valoración de riesgo ... 41

3.3 Cálculo del radio de protección ... 44

3.4 Selección de los pararrayos ... 48

edificio de 29 m de altura... 50

4.1 Arreglo del sistema de puesta a tierra ... 51

4.2 Análisis del SIPTE con respecto a la unión equipotencial y a los supresores de sobretensión transitoria. ... 53

4.3 Acciones para conservación de pararrayos. ... 56

4.4 Análisis económico en la instalación del sistema de pararrayos ... 58

Conclusiones ... 60

I

Símbolo Descripción Unidades

Ae Área equivalente. m2

d Distancia entre elementos a evaluar m

ks y c Factores obtenidos a través de estudios de campo del gradiente de potencial de grandes arcos eléctricos generados en laboratorio.

adimensional

I Valor pico de la corriente del rayo de retorno. kA

No Frecuencia anual de rayos directos a una estructura. Por año

Nd Frecuencia media anual permitida de rayos directos sobre una

estructura. adimensional

Ng Densidad de rayos a tierra anual. rayos/km2_/año

rs Radio de la esfera rodante. m

s Distancia de seguridad. m

Siglas Descripción

ANCE Asociación Nacional de Normalización y Certificación del Sector Eléctrico. CIGRE Conferencia Internacional de Grandes Redes Eléctricas.

DRT Densidad de Rayos a Tierra.

IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers (Instituto de Ingenieros Eléctricos y Electrónicos).

J Industria Eléctrica. NMX Norma Mexicana.

PDC Pararrayos con Dispositivo de Cebado.

II SPT Sistema de Puesta a Tierra.

SPTE Sistema de Protección contra Tormentas Eléctricas. SSTT Supresor de Sobretensiones Transitorias.

III

Figura Título Página

1 Mapa promedio anual de densidad de rayos a tierra [6] 2

2 Gota de lluvia según Elster y Geitel. 5

3 Fundamento de la teoría de Wilson. 7

4 Nube según Simpson con alturas e isotermas usuales. 8

5 Primer impulso de una descarga atmosférica (rayo). 9

6 Pararrayos tipo Franklin. 14

7 Pararrayos tipo CTS. 15

8 Pararrayos PDC-E. 16

9 Pararrayos Stream. 17

10 Pararrayos tipo dipolo. 18

11 Aplicación del método de la esfera rodante para definir la altura y posición de las terminales aéreas en la superficie del edificio a proteger.

22

12 Zona de protección del método de la esfera rodante. 24

13 Área protegida por dos puntas de pararrayos. 25

14 Ruta recomendada para conductores de bajada en edificios con

geometrías complejas como la indicada con tránsito de personas [6]. 32 15 Arreglo para un conductor de bajada mostrando el radio de curvatura

para un mástil de terminal aérea. 32

16 Curvas para los conductores de bajada del SEPDA. 33

17 Arreglo representativo de la conexión entre terminales aéreas, conductores de bajada y un arreglo cerrado del sistema de puesta a tierra en un edificio visto desde el techo.

IV

18 Vista de un electrodo de puesta a tierra para la conexión de los conductores de bajada del Sistema Externo de Protección contra Tormentas Eléctricas.

37

19 Localización del centro comercial Naucalpan Estado de México. 39 20 Vista de la planta del centro comercial, área total y fachadas. 40 21 Zoom de la ubicación del lugar en el mapa del Estado de México,

densidad de rayos a tierra [6]. 41

22 Mapa del Estado de México con el promedio anual de densidad de

rayos a tierra [6]. 42

23 Área equivalente de captura para el centro comercial. 43

24 Representación gráfica de la esfera rodante en el centro comercial. 46

25 Representación gráfica de la distribución de pararrayos. 47

26 Configuración y unión de los pararrayos. 47

27 Representación gráfica de la distribución de pararrayos en una de las

vistas del edificio. 48

28 Electrodos de puesta a tierra vertical y horizontal. 51

29 Vista de electrodos puesta a tierra en registros. 52

30 Conexión para la unión equipotencial. 53

31 Ejemplo de un arreglo para la UE a nivel interno [6]. 54

V

Tabla Título Página

1 Ley de repartición de la corriente de cresta (CIGRE) 10

2 Ley de repartición de la pendiente máxima de la corriente

(Anderson y Erikson) 10

3 Ley de repartición de la corriente de cresta (IEEE) 10

4 Ley de repartición de la pendiente máxima de la corriente (IEEE) 11 5 Altura de las terminales aéreas verticales de acuerdo con el nivel

de protección para el método de la esfera rodante [6].

25

6 Materiales y dimensiones mínimas de las terminales aéreas [6]. 29 7 Espesor mínimo de las hojas y tubos metálicos para terminales

aéreas [6]. 29

8 Dimensiones mínimas de los conductores de bajada [6]. 34

9 Material y dimensiones nominales mínimas de los electrodos de

puesta a tierra [6]. 36

10 Dimensiones del edificio a proteger. 39

11 Selección del radio (rs) y altura de la terminal aérea para el nivel de

protección II [6]. 45

12 Valores de ki y km para el efecto de proximidad de las instalaciones

y el SEPDA. 49

13 Recomendaciones para la selección de supresores en CA para el

VI

En este trabajo se aplicó la norma NMX-J-549-ANCE-2005 para la protección contra tormentas eléctricas en un centro comercial y con ello reducir el riesgo de daño a equipos que se presentan por la incidencia de descargas atmosféricas en el área donde se encuentra el edificio a proteger, además se llevo a cabo un análisis presupuestal para concluir si es viable el sistema de protección examinado contra tormentas eléctricas.

Para aplicar la norma al centro comercial fue necesario saber la ubicación del edificio para saber en qué zona se encuentra, además de sus dimensiones. Con respecto al análisis presupuestal fue necesario desarrollar los cálculos presentados por la norma y proponer el material para la instalación del sistema de protección contra tormentas eléctricas.

VII

Las descargas eléctricas atmosféricas son fenómenos naturales impredecibles, pueden presentarse en cualquier lugar y en cualquier tiempo de acuerdo a la estación del año. El problema principal de las descargas atmosféricas radica en las corrientes altas que pueden circular por estructuras o materiales conductores con que cuentan los edificios y que en su trayectoria puede destruir y afectar permanentemente estos componentes, teniendo así el riesgo de muerte o problemas en la integridad de la salud de las personas que lo habiten.

El sistema de protección atmosférica es una de las principales instalaciones que permiten salvaguardar la vida de las personas que habitan en los edificios, es por eso que debe existir este tipo de protección para brindar seguridad. La implementación del pararrayos debe de estar basado por un método para que se brinde la protección a las personas y al edificio.

En México el método aceptado para la instalación de pararrayos es el de esferas rodantes, especificado en la norma NMX-J-549-ANCE-2005, enfocada a la protección de los efectos de las descargas atmosféricas en edificaciones.

Por lo anterior el objetivo es aplicar la norma NMX-J-549-ANCE-2005 para reducir el riesgo de daño en edificios con un Sistema de Protección contra Tormentas Eléctricas. Esto se determinará en un centro comercial de 29m de altura, con un largo de 414.74m, un ancho de 241.33m ubicado en Naucalpan Estado de México, así mismo con apoyo del programa AUTOCAD reflejar cómo quedará la instalación de pararrayos en el edificio y el área de protección que estos brindarán.

Para el desarrollo de este trabajo se integró por los siguientes capítulos:

Capítulo 1.

VIII

Para este capítulo se identifican y se exponen los puntos más importantes de la norma por desarrollar para la instalación de los sistemas de protección contra tormentas eléctricas, tanto el sistema externo como el interno.

Capítulo 3. Sistema Externo de Protección contra Tormentas Eléctricas en un edificio de 29 m de altura.

Se presenta el desarrollo para implementar el sistema externo de protección contra tormentas eléctricas en un centro comercial de 29 m de altura, como lo marca la norma.

Capítulo 4. Sistema Interno de Protección contra Tormentas Eléctricas en un edificio de 29 m de altura.

Se propone el sistema de puesta a tierra para el SEPTE (Sistema Externo de Protección contra Tormentas Eléctricas), además de describir el sistema interno de protección contra tormentas eléctricas para el centro comercial. Así mismo se muestran algunas acciones que hay que tomar en cuenta para la conservación de los pararrayos y el análisis presupuestal para el SPTE (Sistema de Protección contra Tormentas Eléctricas).

CAPÍTULO 1

DESCARGAS ATMOSFÉRICAS Y

SISTEMAS DE PROTECCIÓN

2

1.1 DESCARGAS ATMOSFÉRICAS

Las descargas atmosféricas son corrientes que circulan de una nube a otra o sobre la tierra, formando trayectorias de mínima resistencia, su formación se debe principalmente a nubes cargadas, cuya polaridad es opuesta a la de tierra; los edificios altos, las torres, los árboles, las líneas aéreas proporcionan estos puntos de impacto de baja resistencia.

La incidencia de las descargas se puede determinar por las características climáticas y montañosas de cada país, el nivel isoceraúnico permite conocer el riesgo que hay en cada zona, el número y la intensidad de las tormentas que se producen en ella (figura 1). El conocimiento de las zonas de riesgo es una información importante para determinar el tipo de protección que se va a instalar en los edificios para dar protección a las personas.

3

En el mapa se muestran las isolíneas para evaluar el DRT (Densidad de Rayos a Tierra) en cada estado de la República Mexicana, a excepción de la península de Baja California, fue elaborado por el Instituto de Investigaciones Eléctricas y la Comisión Federal de Electricidad (1983 y 1993). Las isolíneas representan el promedio anual de dicho período. Las unidades para la Densidad de Rayos a Tierra son rayos/km2/año.

Al conocer la densidad de rayos a tierra en la República Mexicana, se deben de plantear sistemas de protección contra las descargas atmosféricas en estructuras, sobre todo contra la descarga nube-tierra, ya que trae daños perjudiciales a personas, animales, instalaciones y equipos, salvaguardando a la propiedad de los daños por sus efectos.

Los efectos de un rayo pueden ser ocasionados por un impacto directo o por causas indirectas. Un impacto directo puede tener consecuencias catastróficas para las personas, edificaciones, y animales; los daños por causas indirectas suelen ser más numerosos, acompañados de pérdidas económicas.

Efectos directos e indirectos sobre los seres humanos e instalaciones.

Efectos directos.

Los efectos directos sobre personas son peligrosos debido a las magnitudes de sus parámetros, ya que puede resultar la muerte por efectos térmicos y eléctricos instantáneos. Para las instalaciones trae como consecuencia la destrucción total de los equipos debido a su gran potencial, excesiva corriente, y posibles incendios, especialmente si en la estructura se encuentran materiales combustibles.

Efectos indirectos.

4

electroquímicos y pulsos electromagnéticos que varían de acuerdo a la intensidad de la descarga y se propaga radialmente hasta 1500 metros desde el punto de impacto.

Entre los efectos físicos provocados en personas tenemos paro cardiaco, paro respiratorio, lesiones cerebrales, quemaduras en la piel, fibrilación ventricular, etc. Los efectos indirectos por impactos cercanos a la instalación también repercuten en el averío de elementos electrónicos hasta provocar incendios. Entre los efectos indirectos que pueden provocar las descargas atmosféricas tenemos pulsos electroestáticos y sobretensiones transitorias.

La formación de descargas atmosféricas.

Los rayos consisten usualmente de descargas múltiples, con intervalos entre descargas de decenas a centenas de milisegundos. La primera descarga es la que tiene mayor amplitud, mientras que las subsecuentes tienen tiempos de aparición más rápidos, y su velocidad de éstas depende del lugar geográfico. La primera descarga está entre 6x107 m/s y 15x107 m/s y la segunda entre 11x107 m/s y 13x107 m/s.

El campo eléctrico debajo de una nube de tormenta es generalmente considerado entre 10 kV/m y 30 kV/m. Una nube de tormenta promedio podría contener unos 140 MW de energía con tensiones hasta de 100 MV, con una carga en movimiento intra-nube de unos 40 °C. Esta energía es la que se disipa mediante los rayos, con corrientes pico que van de unos cuantos kiloamperes a unos 200 kA. Los rayos de una nube positiva hacia tierra contienen más carga que sus contrapartes negativas, por lo que son muy estudiados.

5

1.1.1 TEORÍAS SOBRE LA FORMACIÓN DE DESCARGAS.

Teoría de Elster y Greitel (influencia eléctrica).

Esta teoría también se conoce con el nombre de teoría de la influencia eléctrica. En la nube se encuentran gotas de diferentes tamaños; las más grandes se precipitan y las más pequeñas son llevadas por el viento hacia arriba. Las gotas se polarizan por la acción del campo eléctrico existente, el cual, se llega a apreciar en la figura 2, donde se observa la dirección que toma hacia tierra. Esto conduce a la formación de cargas positivas en la parte inferior de la gota y cargas negativas en la parte superior de la misma. El roce de una gota grande con una pequeña, al caer, trae como consecuencia un intercambio de cargas.

En gotas más pequeñas predomina carga positiva y en las grandes la negativa. Ambas gotas se desplazan en sentido opuesto. Mientras tanto en la nube, se acumulan poco a poco cargas positivas en la parte superior y cargas negativas en su parte inferior. El campo eléctrico que así se forma favorece la separación de cargas por influencia eléctrica.

6

Estudios recientes le restan importancia a esta teoría, ya que el roce entre gotas parece ser importante sólo en la formación de la lluvia y no en la distribución espacial de las cargas eléctricas.

Teoría de los cristales de hielo.

Esta teoría explica la importancia que representan los cristales de hielo (granizo), en las partes superiores de las nubes y también en las regiones árticas. Simpson y Robinsón describen la formación de cargas eléctricas al chocar un granizo con otro, permitiendo que el aire adquiera carga positiva y el hielo quede cargado negativamente.

Elster y Greitel opinan que la separación de cargas eléctricas se debe a la fricción entre vapor de agua con granizos o con gotas de agua. En las tormentas recién formadas con un gran cúmulo de nubes y en las que no existen precipitaciones pluviales con temperaturas de 10°C pueden ocurrir descargas eléctricas en el interior de la nube.

Teoría de Willson.

Conocida también como la ionización de la gota de lluvia esta teoría, asume al igual que la de Elster y Geitel, una influencia del campo eléctrico en la formación de la gota. Wilson reemplaza a la acción de la gota pequeña de la teoría anterior por la acción de los iones, simplificándose así el fenómeno de intercambio de cargas entre las gotas.

7

Esta teoría tropieza con algunas dificultades que se derivan de observaciones prácticas. Así, por ejemplo, el tiempo medio de formación de una carga eléctrica de 1 Coulomb/km por la acción de un gradiente eléctrico de 1 kV/cm, es de 170 min. Para la formación de la tormenta atmosférica esta carga resulta ser muy pequeña y con un tiempo de formación muy largo. Esto le resta importancia a la teoría de Wilson, aunque la misma contribuye a explicar la distribución de cargas eléctricas en la nube.

Figura 3. Fundamento de la teoría de Wilson.

Teoría de Simpson

8

rompimiento de las mismas, formándose gotas más pequeñas, estas gotas por un procedimiento parecido vuelven a fraccionarse en tamaños menores, al ocurrir el rompimiento de las gotas, se desprenden iones negativos; generando así cargas eléctricas que se dispersan en la atmósfera y al mismo tiempo son llevados por las corrientes de aire ascendentes a la parte superior en la nube, en tanto la parte inferior de la nube se carga en forma positiva.

En la figura 4 se muestra la distribución de cargas en la nube según Simpson, la cual ha podido ser constatada en la práctica con la ayuda de globos sonda. Las partes inferiores de la nube denotan una temperatura promedio de + 4°C, la parte superior alcanza valores de hasta -32°C.

Figura 4. Nube según Simpson con alturas e isotermas usuales.

1.1.2 VALORES DE UNA DESCARGA ATMOSFÉRICA

9

Figura 5. Primer impulso de una descarga atmosférica (rayo).

Los valores que se pueden observar en la gráfica son:

• IMÁX = 19 kA

• Tiempo para llegar a IMÁX , t1≈ 10 μs

• Pendiente máxima (primer frente) ΔI/Δt = 14 kA/2,5 μs= 5,6 kA/μs

• Tiempo de caída al 50% de IMÁX, t2≈ 54 μs

• Tiempo hasta que la corriente llega al valor aproximado de 200 a t3≈ 2,2 ms • Carga eléctrica transportada en t1, QS1 = ∫ I dt ≈ 7 C

• Energía específica (entre 0 y 1300 s), W/R = ∫ I2 dt ≈ . W/Ω

10

Valores más probables de corriente máxima y de pendiente máxima

Dada la gran variabilidad de cada uno de los parámetros eléctricos de una descarga, se recurre a representaciones que indican el % de probabilidad que tal valor sea superado en función de una escala de valores.

Tomamos como ejemplo los valores que propone la CIGRE (Conferencia Internacional de Grandes Redes Eléctricas), y el IEEE (Instituto de Ingenieros Eléctricos y Electrónicos), para dos magnitudes muy significativas en la caída de una descarga.

a) El valor máximo de la corriente ICRESTA [kA]

Tabla 1. Ley de repartición de la corriente de cresta (CIGRE)

I [kA] 3 4 5 10 30 40 50 100 200

Probabilidad

[%] 99 98 96 85 40 30 20 6 1

b) La variación máxima de la corriente en el tiempo ΔI/Δt, [kA/μs]

Tabla 2.Ley de repartición de la pendiente máxima de la corriente (Anderson y Erikson)

(ΔI/Δt)max [kA/μs]

10 20 50 80 100 200 300

Probabilidad 98 78 40 20 12 3 < 1

c) El valor máximo de la corriente Ik [kA]

Tabla 3.Ley de repartición de la corriente de cresta (IEEE)

Ik [kA] 2 7 10 11 20 24 50 100

Probabilidad[%] 99,8 90 74 70 40 20 7 1

11

Tabla 4.Ley de repartición de la pendiente máxima de la corriente (IEEE)

(ΔI/Δt)max

[kA/μs] 2 5 10 20 50 100

Probabilidad

[%] 99,7 96 82 58 20 5

1.2 Sistemas de Protección contra Descargas Atmosféricas

(SPDA).

Los Sistemas de Protección contra Descargas Atmosféricas son dispositivos que desvían el rayo a tierra. Un protector contra sobretensión incorporado al medidor, crea una vía para conducir el exceso de tensión a tierra, y permite que ingrese a la vivienda la tensión de nivel seguro.

Las descargas atmosféricas no pueden ser detenidas, por tal motivo la energía debe de ser desviada de manera segura, ya que estas ocurren con diferentes intensidades, el sistema instalado deberá de proteger contra sus efectos, considerando las descargas promedio sobre un área.

Un sistema de protección contra descargas atmosféricas, debe:

1. Capturar el impacto del rayo directo en puntos preferentes y conocidos. Esto significa la instalación de uno o más terminales aéreas de captación en los edificios.

2. Conducir la descarga a tierra de una forma segura a través de una ruta conocida. Se debe instalar dos o más sistemas de conducción o bajantes a tierra.

12

4. Eliminar inducciones a través de tierra o lazos de tierra. Se requiere la planificación cuidadosa de la creación de un sistema de puesta a tierra. Una red de tierras de baja impedancia es esencial.

5. Proteger todas las líneas de potencia que entren en la estructura o edificio contra sobretensiones. Se requiere la instalación de protectores o filtros reductores específicos contra sobretensiones, equipos estabilizadores, sistemas de alimentación ininterrumpida y otras medidas dependiendo de las circunstancias de cada lugar.

6. Proteger todas las líneas de datos y de señal que entren o salgan de la estructura o edificio contra sobretensiones. Esto implica la instalación de barreras y aparatos de protección de alta velocidad y la correcta puesta a tierra de los cables con pantalla electrostática.

Alrededor del siglo XVIII, Benjamín Franklin demostró a través de un experimento, que las descargas eléctricas atmosféricas presentaban un comportamiento igual a las cargas eléctricas generadas por fricción. Tiempo después inventó el pararrayos con la finalidad de proteger edificaciones y personas de los efectos del rayo.

Los Sistemas de Protección contras Descargas Atmosféricas, son fundamentales para la seguridad de las personas y las estructuras. Las características más importantes con las que deben cumplir estos sistemas son:

 La terminal aérea de un pararrayos no debe superar tres metros de la superficie de la estructura a proteger.

 El radio de cobertura será determinado por la longitud resultante desde la ubicación de la terminal aérea de captación hasta el punto más desfavorable de la estructura a proteger, cumpliendo con margen de seguridad de 10% y en ningún caso el radio de protección debe superar 100 m para garantizar lo efectivo de la protección.

13

referencia tener una segunda bajada a tierra para mejorar el índice de seguridad de la instalación.

 La toma de tierra juega un valor importante en la instalación, ya que su resistencia óhmica debe ser lo más baja posible.

El mantenimiento de un sistema de protección contra el rayo debe consistir en una revisión periódica de 3 veces al año e inmediatamente después de que se tenga constancia de haber recibido una descarga eléctrica atmosférica. No se debe de olvidar, que estos trabajos periódicos conservan en perfecto estado la instalación y evita costos mayores de reparación.

Tipos de pararrayos.

En la actualidad existen diversos tipos de pararrayos cada uno con sus características propias, como se describen a continuación.

Pararrayos tipo Franklin.

Es conocido como el primer pararrayos, está compuesto por una barra de hierro coronada con una punta de cobre o de platino colocada en la parte más alta de la estructura a proteger, la barra esta unida mediante un cable conectado a tierra.

El principio de protección de este pararrayos es el de proteger una zona, la cual es igual al radio de la altura del pararrayos, esta altura se toma desde el nivel del suelo hasta la punta.

14

Figura 6. Pararrayos tipo Franklin.

Pararrayos con dispositivo de cebado (PDC).

Una de la tecnologías desarrolladas a finales de los ochenta fue la de pararrayos con dispositivos que emitían un trazador ascendente, llamándolos pararrayos con dispositivo de cebado o PDC, mostrado en la figura 7. Este cuenta con un dispositivo de cebado, el cual genera un campo eléctrico artificial capaz de generar un trazador ascendente que es lanzado al exterior en busca de la descarga eléctrica atmosférica para atraerlo y derivarlo a tierra de manera segura.

Las principales características del PDC, se citan a continuación:

 Eje central y conjunto deflector fabricados en acero inoxidable.  Nivel de protección: alrededor de 107 m su radio.

 Garantía de continuidad eléctrica. No ofrece resistencia al paso de la descarga.

 Conserva todas sus propiedades técnicas iníciales después de cada descarga.

15

Figura 7. Pararrayos tipo CTS.

Los pararrayos PDC a su vez se subdividen en los siguientes:

 Pararrayos Piezoeléctricos.  Pararrayos Electrónicos

 Pararrayos PDC puros o mecánicos.

Pararrayos piezoeléctricos.

Estos pararrayos utilizan fuentes exteriores para producir el campo eléctrico, estas fuentes pueden ser paneles solares, baterías o cristales de cuarzo; el único inconveniente radica en que al colapsar la fuente exterior el pararrayos piezoeléctrico deja de activarse y por consiguiente deja de funcionar.

Pararrayos electrónicos.

16

Pararrayos PDC puros o mecánicos.

Su dispositivo de cebado es forjado a través de las propias formas geométricas de su construcción de acero y la alimentación eléctrica proviene de las propias cargas eléctricas que generan las nubes.

Pararrayos desionizadores de carga electrostática (CTS).

Este tipo de pararrayos incorpora un sistema de transferencia de carga, y se caracteriza por facilitar la transferencia de la carga electrostática entre la nube y tierra antes de que la descarga atmosférica se complete, esto se logra anulando el fenómeno de ionización o efecto corona de la tierra. El cabezal de este pararrayos está constituido por un par de electrodos de aluminio separados por un aislante dieléctrico, todos estos elementos soportados por un pequeño mástil de acero inoxidable.

Pararrayos PDC-E.

Este tipo de pararrayos es el resultado de la experiencia acumulada en el diseño y utilización de dispositivos de cebado como se muestra en la figura 8, ya que la emisión ascendente de partículas ionizantes producidas por este pararrayos mediante un dispositivo de cebado le permite capturar la descarga eléctrica atmosférica con mayor rapidez y a una mayor altura, con lo que es posible aumentar el radio de protección.

17

Pararrayos stream.

A diferencia del pararrayos PDC-E, el pararrayos stream (figura 9) contiene un dispositivo de cebado de última generación, que reduce el tiempo de cebado, con esta reducción de cebado se obtiene un aumento en la velocidad y efectividad en la captura de la descarga eléctrica atmosférica, por consecuencia su radio de protección se amplía

Su funcionamiento es activado cuando una tormenta eléctrica aumenta la intensidad del campo eléctrico que se forma entre nube-tierra, cuando esto sucede actúa el pararrayos stream acumulando la carga que se produce antes de la descarga atmosférica, esta energía es liberada en forma de impulsos de alta tensión que ioniza el aire que se encuentra alrededor del pararrayos, de esta manera se crea un trazador que dirige la descarga hacia el pararrayos.

Este dispositivo de cebado, es uno de los más eficientes que se encuentra hoy en día, ya que como se ha explicado el dispositivo de cebado produce descargas que ionizan el aire para la captura de la descarga, pero a diferencia de los demás dispositivos, este solo actúa en la presencia de una descarga atmosférica y no hace descargas en falso, en resumen actúa solo cuando el impacto de la descarga es directo.

18

Punta Pararrayos tipo Dipolo

.

Produce un efecto ionizador por medio de un anillo equidistante a la punta, que se encuentra en su parte externa, y cuenta con una bobina excitadora aislada mediante un dieléctrico (figura 10). El material con el que esta fabricado es de aluminio.

Algunas de sus características son:

 Ángulo de cobertura de 60º de protección, el cual varía el radio de cobertura dependiendo de la altura.

 Aislante: Espuma de polietileno vulcanizado para la punta del mástil que lo soporta.

 Tipo: Toroidal.

 Ángulo de protección substancial: 72º.  Corriente máxima: 40 000 A

 Dimensiones:

 Diámetro Externo: 32 cm.  Diámetro interno: 25 cm.  Diámetro del orificio: 1.5 cm.  Altura del Toroide: 5 cm.  Altura Punta: 64 cm.  Mástil: 120 cm.

19

20

CAPÍTULO 2

SISTEMA DE PROTECCIÓN

CONTRA DESCARGAS

21

2.1 SISTEMA DE PROTECCIÓN CONTRA TORMENTAS

ELÉCTRICAS

Un sistema de protección contra tormentas eléctricas diseñado e instalado con las especificaciones indicadas en la Norma Mexicana NMX-J-549-ANCE, reduce el riesgo de daño que puede provocar uno de estos fenómenos. Para que uno de estos sistemas de protección sea integral debe de estar compuesto por un sistema externo de protección contra tormentas eléctricas (SEPTE) el cual está formado por elementos para interceptar, conducir y disipar la corriente de la descarga; y un sistema interno de protección contra tormentas eléctricas (SIPTE) basado en uniones equipotenciales, blindaje electromagnético, puesta a tierra y protección contra transitorios.

Sistema Externo de Protección contra Tormentas Eléctricas

Antes de instalar un sistema externo de protección contra tormentas eléctricas hay que tener en cuenta los elementos que lo conforman, estos son las terminales aéreas, conductores de bajada y sistema de puesta a tierra, para la selección de cada uno de estos elementos hay que considerar requisitos que se abordarán en cada uno de los temas siguientes.

En el caso de los conductores de bajada tienen que ver con el tipo de sistema de protección seleccionado, que puede ser aislado o no aislado. El número de electrodos de puesta a tierra, individual o en arreglo, determinarán el cumplimiento del valor de resistencia a tierra.

Método de la esfera rodante

22

esfera de una punta va brindando protección en la superficie del edificio y en su defecto se debe llevar a cabo un cálculo para definir la altura, posición de las terminales aéreas de intercepción de la corriente de rayo y el área protegida (ecuaciones 1-7).

Figura 11. Aplicación del método de la esfera rodante para definir la posición de las terminales aéreas en la superficie del edificio a proteger.

El radio de la esfera rodante debe ser equivalente a la longitud del último paso de la descarga para un valor pico de corriente del rayo. Para evaluar la longitud del último paso de la descarga se ocupa la siguiente expresión analítica:

� = � �

En donde:

� = ú .

� = é

é .

23

Con respecto a la evaluación de la protección se deben seguir las siguientes ecuaciones para determinar la altura de cada terminal, tomando como base la figura 12 donde se muestra con el área sombreada de gris la parte de protección que se brinda.

Cuando H<rs se tiene:

= √ �− − √ �−

= − √ ₋� − − − √ ₋� −

Cuando S< 2rs se tiene:

= − � + √ � − ( )

Cuando H >rs se tiene:

= � − √ �−

Finalmente la altura de la terminal aérea puede calcularse con la ecuación 6.

= �

{

− √ [

�+ √ �( − �)]

}

En donde:

= .

= é ó .

= ℎ á ó

24

= ℎ á ó �

é ó .

= ó é .

� = ú

= í .

� � = ú í

ℎ ℎ ó

í .

Figura 12. Zona de protección del método de la esfera rodante.

Por la característica volumétrica, el método de la esfera rodante puede aplicarse a cualquier estructura. El radio de la esfera rodante rs se indica en la tabla 5. Este

25

Tabla 5. Altura de las terminales aéreas verticales de acuerdo con el nivel de protección para el método de la esfera rodante [6].

Nivel de protección

Radio de la esfera rodante rs y su correspondiente valor de corriente

de rayo i.

Altura de la terminal aérea a partir del plano a proteger

(h)

rs (m)

I

(kA) m

I 20 3 ≤ 20

II 30 6 ≤ 30

III 45 10 ≤ 45

IV 60 16 ≤ 60

Nota: Esta corriente representa el valor mínimo al cual el nivel de protección ofrece una protección eficiente.

Para evaluar la protección con el método de la esfera rodante, la altura máxima efectiva de la terminal aérea a partir del plano a proteger debe ser igual al radio utilizado para la esfera rodante como se muestra en la figura 13.

Figura 13. Área protegida por dos puntas de pararrayos.

Sistema Interno de Protección contra Tormentas Eléctricas

26

equipotencial se debe considerar a nivel externo para un SEPTE aislado y no aislado, a nivel interno, en instalaciones de telecomunicaciones y blindaje electromagnético.

2.2 VALORACIÓN DE RIESGO.

Para esta parte la valoración de riesgo se tiene que estimar con respecto a la probabilidad de incidencia de un rayo sobre una estructura tomando en cuenta la ubicación de la estructura y la complejidad del fenómeno de la descarga basándose en qué tipo de edificio se va a salvaguardar.

El diseño de un sistema de protección debe incluir la valoración de riesgo de la estructura contra la incidencia de un rayo directo, y esta valoración debe realizarse antes de definir las características y ubicación de los elementos constitutivos del sistema externo. Los resultados de la valoración de riesgo determinan la necesidad o no de instalar el Sistema Externo de Protección contra Tormentas Eléctricas (SEPTE).

Frecuencia de rayos directos a una estructura.

La frecuencia anual promedio de rayos directos a una estructura (No), puede calcularse mediante la ecuación siguiente, extraída de la norma.

N

= N

x A

x

[ ]

En donde:

� = .

� = ,

, ,

27

Evaluación de la necesidad de protección.

Una vez estimado el valor No, debe compararse con el valor de la frecuencia media anual permitida Nd para evaluar la necesidad de protección, considerando lo siguiente:

a) si No (estimado) es ≤ Nd (tabla 1, valor permitido), el SEPTE es opcional[6].

Esta condición significa que el SEPTE puede o no instalarse. Sin embargo, debe considerarse que aunque cuando el riesgo estimado sea menor que el riesgo permitido, existe la posibilidad de que un rayo incida sobre la estructura que no tiene un SEPTE.

b) si No (estimado) es > Nd (tabla 1, valor permitido) debe instalarse un SEPTE [6].

Área equivalente de captura.

Con respecto a la valoración de riesgo hay que tomar en cuenta el área equivalente de captura donde se encuentra la estructura a proteger, estás áreas se clasifican conforme a los siguientes puntos.

a) Cuando la estructura aislada se ubica en terreno plano, con techo plano y de dos aguas.

� = + ℎ + + �ℎ [ ]

� = + ℎ + �ℎ [ ]

En donde:

� = á .

= .

= .

ℎ = ,

28

b) Cuando la estructura se ubica en un terreno irregular.

� = + ℎ� + + �ℎ� [ ]

En donde:

� = á .

= .

= .

ℎ = .

c) Para una estructura con otras adyacentes, donde se calculan primero las distancias con la fórmula 11 y posteriormente el área equivalente de captura.

�� = + ℎ�− ℎ

En donde:

�� = .

ℎ� = .

ℎ = ó .

= ℎ .

2.3 TERMINALES AÉREAS.

29

Tabla 6. Materiales y dimensiones mínimas de las terminales aéreas [6].

Tabla 7. Espesor mínimo de las hojas y tubos metálicos para terminales aéreas [6].

En SEPTE las terminales aéreas pueden ser aisladas y no aisladas, se ocupan aisladas cuando la circulación de la corriente del rayo cause daños a la estructura y exista riesgo de fuego o explosión, mientras que las no aisladas se pueden ocupar siempre y cuando se logre la igualación de los potencias de todos o parte de los elementos metálicos de una instalación.

Número y ubicación de terminales.

El número y ubicación de las terminales aéreas de un Sistema Externo de Protección contra Tormentas Eléctricas dependen del nivel de protección seleccionado y de la aplicación del método de la esfera rodante. Existen elementos de la estructura o edificio que por ser metálicos y estar por encima de los objetos a proteger pueden considerarse en el diseño como terminales aéreas naturales para interceptar la corriente de la descarga, a pesar de no haber sido diseñados para tal fin. Estos elementos naturales pueden ser, hojas metálicas, ornamentaciones, barandillas, tubos metálicos, etc., generalmente ubicados en techos y fachadas, y deben cumplir las condiciones siguientes:

1.- Eléctricamente continuos en todas sus partes.

30

3.- Estar sólidamente conectados al sistema de puesta a tierra.

4.- Cumplir con las especificaciones de materiales.

La probabilidad del número de impactos sobre las terminales aéreas es mayor con su altura, aumentando también la probabilidad de interponerse en la trayectoria de rayos de mayor intensidad. Por lo tanto, para este trabajo se considerarán terminales aéreas de una altura que se encuentre entre los 3m por encima del edificio a proteger.

El número y ubicación de las terminales aéreas deben calcularse de acuerdo con su posición y nivel de protección como se indica en el método de la esfera rodante. En general, para cualquier edificio o estructura, existen dos niveles de referencia en donde debe aplicarse la esfera rodante, el nivel del techo y el nivel del piso alrededor del edificio o estructura.

Como la estructura a proteger para este trabajo es de 29 m de altura, el cálculo del número y ubicación de las terminales aéreas deben cumplir con la instalación de conductores horizontales alrededor del edificio formando lazos cerrados a cada 20m de altura.

2.4 CONDUCTORES DE BAJADA.

31

Requisitos.

En el diseño del Sistema Externo de Protección contra Tormentas Eléctricas, los conductores de bajada deben cumplir con lo siguiente:

1) Distribuirse uniformemente a lo largo del perímetro de la estructura o edificio mediante una configuración lo más simétrica posible.

2) Conectarse a los elementos del sistema de puesta a tierra a través de la trayectoria más corta.

3) Conectarse a las terminales aéreas y al sistema de puesta a tierra de manera firme y permanente.

4) Ubicarse lo más alejado posible de circuitos eléctricos, electrónicos, de equipo con riesgo de fuego o explosión, accesos para el personal y de puertas y ventanas.

Conductores de bajada naturales

Las partes de una estructura que pueden considerarse como conductores de bajada naturales son:

a) Elementos metálicos estructurales (columnas y trabes) de la estructura.

b) El acero de refuerzo de la estructura siempre y cuando cuente con uniones mecánicas o soldadas, excepto para elementos prefabricados que no garanticen la continuidad eléctrica entre sus partes.

Trayectorias de los conductores de bajada y radios de curvatura.

32

Figura14. Ruta recomendada para conductores de bajada en edificios con geometrías complejas como la indicada con tránsito de personas.

El radio de curvatura del conductor de bajada en trayectorias verticales y horizontales debe ser mayor o igual a 200mm. La figura 15 ilustra el conductor de bajada considerando el radio de curvatura del conductor. La figura 16 ilustra la curva del conductor de bajada. La separación d2 debe cumplir la distancia de

seguridad. También se debe considerar el efecto de la ranura en las propiedades mecánicas del mástil.

33

Figura 16. Curvas para los conductores de bajada del SEPDA.

Conductores de bajada para un sistema externo de protección no aislado.

Las terminales aéreas y los conductores de bajada deben estar conectados a nivel de techo. A nivel de suelo, los conductores de bajada deben interconectarse al sistema de puesta a tierra. Además deben cumplirse los siguientes puntos, según sea el caso:

a) Como el Sistema Externo de Protección contra Tormentas Eléctricas está por terminales aéreas horizontales, se deben utilizar de dos o más conductores de bajada.

b) Los conductores de bajada deben estar distribuidos a cada 15m de acuerdo al nivel de protección. Los conductores de bajada deben estar ubicados cerca de cada una de las esquinas de la estructura.

c) Si la pared de la estructura está hecha de material flamable, los conductores de bajada deben ubicarse a una distancia mayor a 0,1m del elemento a proteger.

34

En la figura 17 se muestra la relación entre las terminales aéreas y conductores de bajada.

Figura 17. Arreglo representativo de la conexión entre terminales aéreas, conductores de bajada y un arreglo cerrado del sistema de puesta a tierra en un edificio visto desde el techo.

Los conductores de bajada en cualquier configuración deben ser desnudos (sin aislamiento), a excepción de que sean conductores con aislamiento diseñados para el confinamiento de campo eléctrico producido por la corriente de la descarga atmosférica. En cualquier caso debe respetarse la distancia de seguridad.

35

Distancia de seguridad.

La distancia de seguridad debe calcularse de acuerdo a la ecuación 12, con la finalidad de colocar los conductores de bajada sin poner en riesgo a las personas y respetando a la vez el espacio para la conducción de corriente.

= � �

� ; ≥

En donde:

= .

= .

: ó � , = . .

: ó , = . .

: ó ó , . .

= ó

.

2.5 CRITERIOS DE CÁLCULO PARA EL SISTEMA DE TIERRA.

Como complemento de la protección contra las descargas atmosféricas se debe utilizar un sistema a tierra para reducir riesgos de electrocución y la formación de arcos eléctricos entre partes metálicas que pongan en peligro al personal y al equipo en la trayectoria de los conductores de bajada, además debe integrar, incluir e interconectar todos los sistemas de la instalación externa como el Sistema Externo de Protección contra Tormentas Eléctricas (SEPTE), sistemas de energía eléctrica, sistemas de telecomunicaciones, entre otros.

36

Material Configuración y dimensiones nominales mínimas.

Acero

Varilla de acero estirada en frío, con recubrimiento de cobre

electrolítico

Diámetro de 14,3mm mínimo y 15,5 mm máximo.

Espesor mínimo del recubrimiento 0,254mm

(1)Para el aceroinoxidabletipoaleación304.

Con el fin de mantener la elevación de potencial del Sistema de Puesta a Tierra a niveles de seguridad, se recomienda que el valor de la resistencia a tierra se mantenga en niveles no mayores que 10Ω. Este valor de resistencia debe cumplirse para cada arreglo de 3 electrodos por conductor de bajada, cuando éstos no se encuentren interconectados. Los elementos que deben formar un Sistema de Puesta a Tierra son los electrodos de puesta a tierra, conductores desnudos para unir los electrodos, conexiones soldables y registros.

Electrodos de puesta a tierra

En general, un electrodo de puesta a tierra puede ser de cualquier tipo y forma, siempre y cuando cumpla con los requisitos en listados a continuación.

a) Ser metálico.

b) Tener una baja resistencia a tierra.

c) Cumplir con las especificaciones de materiales.

d) Sus componentes no deben tener elementos contaminantes al medio ambiente.

e) Los que se encuentran formados por varios elementos metálicos deben estar unidos por medio de soldadura.

Los electrodos de puesta a tierra más comunes son los siguientes:

a) verticales (varillas, tubos, conductores planos).

b) horizontales (tubos, cables o conductores planos colocados en forma radial o en anillo).

c) los formados por los cimientos de las estructuras (naturales). d) placas y mallas.

Además los electrodos deben de cumplir con las especificaciones de la tabla 9.

37

Los arreglos prácticos para el Sistema de Puesta a Tierra dependen del espacio disponible y de las características del suelo, en la figura 18 se muestra un electrodo de puesta a tierra que va conectado a los conductores de bajada.

Figura18. Vista de un electrodo de puesta a tierra para la conexión de los conductores de bajada del Sistema Externo de Protección contra Tormentas Eléctricas.

CAPÍTULO 3

Sistema Externo de Protección contra

Tormentas Eléctricas en un edificio de

39

3.1 DESCRIPCIÓN DEL EDIFICIO A PROTEGER.

El edificio al cual se le aplicará el sistema de protección contra tormentas eléctricas bajo la norma NMX-J-ANCE-2005, es un centro comercial localizado en Naucalpan Estado de México (figura 19), referencia que permitirá la identificación de la densidad de rayos a tierra. Por ser un centro comercial, la frecuencia media anual permitida de rayos directos sobre la estructura (Nd) se considera de 0.02.

Figura 19. Localización del centro comercial Naucalpan Estado de México.

El centro comercial cuenta con las dimensiones mostradas en la tabla 10, basadas en los planos arquitectónicos del edificio como en la figura 20.

Tabla 10. Dimensiones del edificio a proteger.

Área Altura Longitudes de los lados de las estructuras: _{Largo Ancho}

40

Figura 20. Vista de la planta del centro comercial, área total y fachadas.

41

3.2 VALORACIÓN DE RIESGO.

La localización del edificio es importante porque permite evaluar el nivel del riesgo en el que se encuentra la estructura (Figura 19), cuando estas se instalan en zonas donde las densidades de rayos a tierra son mayores que 2 se debe desarrollar el sistema externo de protección contra descargas atmosféricas. Por ello en base a la ubicación del edificio se identificó con apoyo de la figura 21 y 22 la densidad de rayos a tierra por año.

Con respecto a la figura 22 se obtuvieron las coordenadas 19° 28 31 N, 99° 14 16 W (en decimal 19.475278°, -99.237778°) correspondiente a lo que es Naucalpan de Juárez, Estado de México, lugar donde se encuentra el centro comercial.

La densidad de rayos a tierra anual (Ng) resultante para el centro comercial corresponde a 4 rayos/km2/año, por lo que se debe instalar un sistema externo de protección contra descargas atmosféricas.

42

Figura 22. Mapa del Estado de México con el promedio anual de densidad de rayos a tierra [6]. Representando ubicación del centro comercial.

Para identificar con qué frecuencia anual la estructura se verá impactada por rayos directos se calculará esa probabilidad con la ecuación 7 planteada en el capítulo 2.

NO= Ng x Ae x -

43

Figura 23. Área equivalente de captura para el centro comercial.

�� = + ℎ + + �ℎ

Sustituyendo los valores en la ecuación 8 obtenemos:

��= . × . + . + . + . .

44

Procediendo a sustituir en 7:

NO= rayos/km /año x . x -

NO= . por año

Otra forma para considerar si se instala o no un sistema externo de protección contra tormentas eléctricas en el edificio es estimando la necesidad de protección.

Como No (0.948) es > Nd (0.02) debe instalarse un Sistema Externo de Protección contra Descargas Atmosféricas.

Desarrollado el análisis de la valoración de riesgo en el centro comercial y considerando que es necesaria la implementación de un sistema externo de protección contra descargas atmosféricas se procede a desarrollar la elección de los elementos que integran a este sistema a partir del cálculo de radio de protección.

3.3 CÁLCULO DEL RADIO DE PROTECCIÓN.

El cálculo del radio de protección se debe realizar mediante el método de la esfera rodante. Para determinar el radio de la esfera es necesario identificar y seleccionar el nivel de protección. Por ser una estructura de centro comercial, se consideran como efectos de las tormentas eléctricas daños a las instalaciones eléctricas, pánico, falla de dispositivos de control, pérdidas de enlace de comunicación, falla de computadoras y pérdidas de información, por lo tanto el nivel de protección que se recomienda con respecto a la tabla de la norma es Nivel de protección II.

El nivel de protección permite identificar el radio de la esfera rodante (rs) en base a

45

Tabla 11. Selección del radio (rs) y altura de la terminal aérea para el nivel de protección II [6].

Nivel de protección

Radio de la esfera rodante rs y su correspondiente valor de corriente de rayo i.

Altura de la terminal aérea a partir del

plano a proteger (h)

rs (m) I (kA) m

II 30 6 ≤ 30

Corroborando los resultados del radio de la esfera obtenidos en la tabla 11, se calcula el radio de la esfera rodante en base a la ecuación 1.

� = ���

Identificando que k y c son factores obtenidos a través de estudios de campo de gradiente de potencial de grandes arcos eléctricos generados en laboratorio se tiene que k = 9.4 y c = 2/3, tomando como I = 6 kA.

Sustituyendo los datos obtenemos:

� = . �× /

� = . ≈

46

En la figura 25, se muestra la ubicación y distribución de cada uno de los pararrayos y puntos de intersección en la azotea del edificio, que son todos los puntos en rosa respetando los espacios abiertos marcados en color verde, mientras que en la figura 26 se observa la configuración y unión de los pararrayos (color azul marino) con los conductores de bajada a puesta a tierra (color rojo), en la figura 27 se muestra una de las vistas del edificio a proteger con la proyección de la esfera por cada pararrayos distribuido, cada una de las terminales abarcará su propio radio de protección, considerando que en donde se encuentra el límite del radio de una punta, la protección la continuará la siguiente esfera imaginaria formada por la otra punta, y así se sigue la secuencia con cada una de las puntas instaladas.

47

Figura 25. Representación gráfica de la distribución de pararrayos.

48

Figura 27. Representación gráfica de la distribución de pararrayos en una de las vistas del edificio. .

3.4 SELECCIÓN DE LOS PARARRAYOS

La altura de las terminales está limitada con respecto a la norma a 3 m por encima del objeto a proteger, considerando el radio de protección en el diseño. Por ello se proponen para la instalación puntas franklin de 60 cm de alto. Para el cálculo del número de terminales aéreas y su ubicación se debe considerar instalar adicionalmente conductores horizontales alrededor del edificio formando lazos cerrados a cada 20 m de altura con conductor desnudo calibre 4/0, 107.21mm2, 28 hilos, siendo que la altura del edificio del centro comercial se encuentra entre 20 m y 60 m de altura.

3.5 SELECCIÓN DE LOS CONDUCTORES DE BAJADA

49

La distancia de separación entre los conductores de bajada debe considerarse con respecto a la longitud del edificio y su estructura de construcción, ya que un conductor no puede atravesar espacios abiertos, puertas o ventanas.

Para que los conductores sigan cumpliendo con la seguridad en la instalación se desarrolla el cálculo para obtener la distancia de seguridad con la ecuación 12.

= � �

� ; � ≥

Donde los valores de ki y km se seleccionaron en base a tablas de la norma

obteniendo los resultados en la tabla 12.

Tabla 12. Valores de ki y km para el efecto de proximidad de las instalaciones y el SEPDA.

Nivel de protección Coeficiente ki Coeficiente km

II 0.075 En sólido 0.5

El valor de kc depende de la configuración dimensional de los conductores de

bajada, para el centro comercial la configuración se determina para más de cuatro conductores de bajada, teniendo que kc = 0.44.

Sustituyendo los valores en la ecuación 12 y considerando la longitud del conductor de bajada de 32m se tiene:

= . ._.

= .

CAPÍTULO 4

Sistema Interno de Protección contra

Tormentas Eléctricas en un edificio de

51

4.1 ARREGLO DEL SISTEMA DE PUESTA A TIERRA

Todo sistema de protección contra tormentas eléctricas debe estar conectado a un sistema de puesta a tierra (SPT) para disminuir los potenciales de paso y contacto, tratando de reducir el riesgo de electrocución y formación de arcos eléctricos en las partes metálicas que ponen en peligro a las personas y al equipo.

Cada conductor de bajada llevará un arreglo de 3 electrodos con la configuración que se muestra en la figura 28 cuando estos no se encuentren interconectados entre sí, se debe de mantener un nivel no mayor de 10Ω como valor de resistencia

a tierra por cada arreglo de electrodo de los conductores de bajada. Los electrodos se deben de unir con conductores desnudos horizontales enterrados, además de ir cada uno en un registro con dimensiones de 32cm x 32cm x 32cm (figura 29).

52

Los electrodos de puesta a tierra van a ser varillas de acero con recubrimiento de cobre para que brinde la protección contra la corrosión del terreno su longitud se propone de 3m, 16mm (5/8 in), para su instalación se debe cuidar su separación que va a ser dos veces la longitud del electrodo. Para los electrodos horizontales su instalación será a 0.6m mínimo de profundidad a una distancia mínima de 1m a la estructura.

En este caso el área alrededor de la estructura se encuentra cubierta de concreto, por lo tanto no es necesario instalar arreglos adicionales de sistemas de puesta a tierra para la protección del tránsito de personas contra el riesgo de electrocución.

53

4.2 ANÁLISIS DEL SIPTE CON RESPECTO A LA UNIÓN

EQUIPOTENCIAL Y A LOS SUPRESORES DE SOBRETENSIÓN

TRANSITORIA.

Unión Equipotencial

Cuando al SEPTE es impactado por un rayo se generan diferencias de potencial provocando la circulación de corrientes indeseadas y formación de arcos eléctricos, poniendo inseguros a los equipos y a las personas. Para evitar este tipo de accidentes es necesario igualar el potencial de todas o algunas de las partes metálicas de la instalación, lográndolo con la unión equipotencial.

Para ello es necesario contar con conductores de unión, barras de unión y supresores de sobretensiones transitorias (SSTT). Para el SEPTE se propone que va a ser un sistema aislado por la concurrencia de personas al lugar, así que todo el conductor desnudo de cobre para la conexión de pararrayos y conductores de

bajada irán aislados en tubería de 21 mm (3/4”), por ello la UE en la instalación con los elementos del sistema externo se debe realizar a nivel del suelo (figura 30) y se deben de cumplir la distancia promedio y distancia de seguridad obtenidas en el capítulo 3 (15m como mínimo y 1.056m respectivamente).

54

Hay que considerar la UE en cada nivel de la instalación para la protección de los equipos y elementos metálicos, estás conexiones deben ser firmes y lo más cortas posibles al SPT.

UE a nivel interno

La UE a nivel interno va a hacer referencia a la conexión de varias barras en forma radial a una sola barra (barra principal) conectada al SPT, cada uno de estos arreglos (figura 31) va a ser distribuido en toda el área del edificio a proteger ya que es muy extenso, los servicios y elementos metálicos serán conectados en un solo punto sin formar lazos cerrados entre los servicios. Así mismo, es importante ubicar una barra de unión cerca del tablero principal de alimentación eléctrica.

Figura 31. Ejemplo de un arreglo para la UE a nivel interno [6].

BARRA PRINCIPAL

BARRA EQUIPOS ELECTRÓNICOS

BARRA OTROS EQUIPOS

55

Supresor de sobretensiones transitorias

Las sobretensiones transitorias en una estructura tiene varias entradas, entre ellas se encuentran las líneas de energía eléctrica, las líneas telefónicas, antenas, tuberías metálicas, etc., por ello se deben usar dispositivos contra sobretensiones transitorias para la protección de los equipos electrónicos instalados en el centro comercial.

En la norma se consideran 3 categorías para la protección con SSTT (figura 32), ya que la densidad de rayos determinada para el centro comercial es de 4 rayos/km2_{/año, se consideran las características mostradas en la figura 32 de}

densidad de rayos alta y las recomendaciones para la selección de supresores en CA para el centro comercial se pueden observar en la tabla 13.

56

Tabla 13. Recomendaciones para la selección de supresores en CA para el centro comercial [6].

Tipo de estructura Tipo de protección Sistema de distribución Ubicación/ categoría Onda de prueba Tipo de servicio y clase de protección Autoprotección por variaciones de tensión Edificios comerciales

Primaria _{220 V/127 V} 3F, 4H + T _{Categoría C} Acometida,

20 kV,

1,2/50 μs

20 kA,

8/20 μs

Interior

IP 1 Recomendado Exterior

IP 4X Recomendado

Secundaria

3F, 4H + T 220 V/127 V

Circuito Derivado, Categoría B

6 kV, 500 A 100 kHz

6 kV 1,2/50 μs

3 kA,

8/20 μs

Interior

IP 1 Recomendado

Punto de uso, Categoría A

6 kV, 200 A

100 kHz Interior

IP 1 Recomendado

1F, 2H + T 127 V

Punto de uso, Categoría A

6 kV, 200 A

100 kHz Interior IP 1

4.3 ACCIONES PARA CONSERVACIÓN DE PARARRAYOS.

La conservación de pararrayos es muy importante, ya que permite tener en buen estado el Sistema Externo de Protección contra Tormentas Eléctricas y el Sistema Interno de Protección contra Tormentas Eléctricas para su buen funcionamiento, así mismo evitar otro tipo de riesgos para las personas que concurren al centro comercial. Por ello es necesario que se le de un correcto mantenimiento por personal capacitado, alrededor de cada seis meses.

Principalmente se hacen pruebas cualitativas, donde se revisa el estado de todos los elementos del sistema, otra prueba es cuantitativa, en ésta se llevan a cabo algunas mediciones y por último se le debe de dar un mantenimiento preventivo, algunos de estos procedimientos se enumeran a continuación.

Pruebas cualitativas

57

 Comprobar el amarre y posible oxidación del mástil.

 Verificar el estado del cable conductor del pararrayos.

 Comprobar amarre, conectores y tubo de protección.

 Comprobar que ningún elemento nuevo haya variado las condiciones del estudio de instalación del pararrayos original.

 Verificar el estado del supresor contra tensiones.

 Verificar el estado físico del mástil.

Pruebas cuantitativas

 Toma de tierra. Comprobar amarres, conectores y medida de la resistencia a tierra, recordando que no deberá sobrepasar los 10 Ω.

 Medir la resistencia del electrodo de puesta a tierra, este no deberá de

sobrepasar los 10 Ω.

 Medir la continuidad de conexión electrodo – cable.

 Medir la continuidad de conexión cable – cable.

Mantenimiento preventivo

 Limpiar el registro a tierra.

 Reapretar las conexiones electrodo – cable.

 Verificar los puntos de agarre y unión de los tensores.