.<,>.4* <>8.;27; -. 260.62.;2* 5.,*62,* A .4.,=;2,*
>62-*- 8;7/.<276*4 [*-74/7 478.B 5*=.7<\
8;7=.,,2a6 -. 26/;*.<=;>,=>;*< A
,2;,>2=7< .4`,=;2,7".4.,=;a62,7< ,76=;*
47< ./.,=7< -. =7;5.6=*< .4`,=;2,*<
-#,&, *+)$#,&)(!'
9>. 8*;* 7+.=.6.; .4 =2=>47 -.
&(%#(&#+) #'#"-+&"&,-!
8;.<.6=*(
,# 0*+;2.4 47B*67 ,.;?*6=.<
*<.<7;.<(
260# /;*6,2<,7 3*?2.; 8*4*,27< -. 4* 7 260# ;>+.6 *60.4 1.;6*6-.B 0>*-*;;*5*
GM SVNDP FG NK WKFC# <CDGO FG TPDSC RVG C FPOFG RVKGSC RVG WPY GTUbO EPONKIP GO ECFC IGTUP! QCMCDSC Y QCTP RVG FPY! MPT CNP NVEJdTKNP Y TKGNQSG GTUCSbO FGOUSP FG NK EPSCZfO#
* NK HVUVSC GTQPTC! QPS CQPYCSNG GO EPOEMVKS GTUG EKEMP! JCO TKFP NVY KNQPSUCOUGT UVT QCMCDSCT FG CMKGOUP Y HG GO Nd QCSC MMGICS JCTUC GTUG QVOUP# .TUC NGUC CMECOZCFC SGQSGTGOUC VOP FG MPT NVEJPT QGMFCePT RVG TVDKSGNPT LVOUPT GO MC MCSIC GTECMGSC FG MC WKFC#
5KSP JCEKC CUSbT Y EPO PSIVMMP NG FPY EVGOUC RVG JGNPT ESGEKFP NVEJP LVOUPT! EPNP QCSGLC Y EPNP QSPHGTKPOKTUCT# 5G JCEG NVY HGMKZ RVG GTUcT C NK MCFP! UG CNP DGDc#
EKGOUPT FG QSPEGTPT KOFVTUSKCMGT! EPNGSEKCMGT! FG EPNVOKECEKfO Y FG TGSWKEKPT! CTd EPNP FG MPT NCUGSKCMGT Y NGUPFPMPIdCT VUKMKZCFCT QCSC MC QSPUGEEKfO FG FKWGSTPT GRVKQPT Y QSPEGTPT) FGTFG MC QSPUGEEKfO GO TKTUGNCT Y GRVKQPT GO CMUC UGOTKfO JCTUC TKTUGNCT RVG NCOGLCO NVY DCLC GOGSIdC! GOUSG MPT RVG TG KOEMVYGO GRVKQPT GMGEUSfOKEPT Y FKIKUCMGT#
<KO GNDCSIP! GXKTUGO MGYGT HVOFCNGOUCMGT EPNP MC MGY FG 7JN! MC MGY FG ISCWGFCF P MC MGY VOKWGSTCM FG ICTGT RVG! QGTG C RVG HVGSPO FGTEVDKGSUPT JCEG NVEJPT CePT! TKIVGO WKIGOUGT Y TV WCMKFGZ QSPQPSEKPOC GMGNGOUPT KOWCMVCDMGT QCSC GM FGTCSSPMMP FG OVGWPT NcUPFPT! QSPEGTPT Y FGTCSSPMMPT UGEOPMfIKEPT#
)063=5?9
1.2 Fuentes de descargas atmosféricas Pag.4
1.2.1 Nube Cumulonimbus Pag.4
1.3 Parámetros físicos de la descarga atmosférica Pag.5
1.4 Clasificación de las descargas atmosféricas por su Pag.7 punto de descarga.
1.4.1 Nube a nube Pag.8
1.4.2 Nube – aire Pag.8
1.4.3 Intranube Pag.8
1.4.4 Nube – tierra Pag.9
1.4.4.1 Descargas positivas y descargas negativas. Pag.9
1.5 Proceso de la descarga atmosférica y etapas del rayo. Pag.10
1.5.1 Paso 1. Líder descendente. Pag.10
1.5.2 Paso 2. Transición streamer-líder Pag.12
1.5.3 Paso 3. Generación líder ascendente Pag.13
1.5.4 Paso 4. Ultimo paso de la descarga o distancia crítica de
rompimiento. Pag.14
1.5.4.1 Rayo de retorno Pag.15
1.6 Efectos y consecuencias de las descargas eléctricas. Pag.16
1.6.1 Sistemas en riesgo Pag.17
1.6.2 Efecto sobre sistemas Pag.17
1.6.2.1 Seres Vivos. Pag.17
1.6.2.1.1Potencial de paso y Potencial de contacto. Pag.20
1.6.2.2 Edificios y Estructuras, Fuegos residenciales,
fuegos forestales. Pag.22
1.6.2.3 Equipo Eléctrico y Electrónico. Pag.24
1.6.2.4 Líneas de transmisión y líneas de distribución de energía
eléctrica. Pag.25
1.7.1 Un rayo no cae dos veces en el mismo lugar. Pag.28
1.7.1.1 Nivel Ceraunico Pag.29
1.7.1.2 Densidad de Rayos a Tierra (DRT) Pag.30
1.7.2 Protección ofrecida por neumáticos. Pag.30
1.7.3 Situarse debajo de un árbol durante una tormenta Pag.31 significa un peligro inminente ante la caída de un rayo.
1.7.4 ¿Es posible colectar la energía del rayo? Pag.32
Capítulo 2
2. Protección contra descargas atmosféricas Pag.34
2.1 Inicios Pag.34
2.1.1 Experimento de Benjamín Franklin. Pag.34
2.1.2 Terminales aéreas. Pag.36
2.1.3 Primer Guía de Diseño de Protección. Pag.37
2.2 Métodos de protección contra descargas atmosféricas basados en el principio del electrodo Franklin. Pag.38
2.2.1 Método del Cono o Angulo de protección. Pag.39
2.2.1.1 Determinación del Ángulo de protección. Pag.42
2.2.1.1.1 Ángulo Optimista Pag.43
2.2.1.1.2 Ángulo de áreas equivalentes. Pag.44
2.2.1.1.3 Ángulo conservador. Pag.44
2.2.2 Modelo Electrogeométrico o Esfera rodante. Pag.46
2.2.2.1 Niveles de protección. Pag.48
2.2.2.2 Análisis Geométrico del Método de la Esfera rodante. Pag.51
2.2.2.3 Evolución de los criterios de protección de la
esfera rodante. Pag.54
2.2.3 Método de la Malla Extendida. Pag.56
2.3 Normatividad Nacional e Internacional referente a los
Sistemas de Protección contra Tormentas Eléctricas. Pag.59
2.3.1 Inicios de la Normatividad. Pag.59
2.3.2 Normas y Recomendaciones. Pag.61
2.3.3.1.2 AS/NZS 1768 (2003), Australian / New Zealand Standard.
Lightning Protection. Pag.69
2.3.3.1.3 BS 6651 (1999), British Standard. Code of Practice for
Protection of Structures Against Lightning. Pag.71
2.3.3.1.4 UL 96A (1994), Underwriters Laboratories. Pag.72 Standard for Installation Requirements for Lightning
Protection Systems.
2.3.3.1.5 API 2003 (1998), American Petroleum Institute. Pag.73 Protection Againts Ignitions Arising out of Static, Lightning, and Stray Currents.
2.3.3.2 Aceptación de riesgo. Pag.74
2.3.3.2.1 IEC 1024-1, IEC 61024-1 (1990). Pag.74
2.3.3.2.2 NFPA 780. Pag.75
2.3.3.2.3 API 2003 (1998). Pag.75
2.3.3.2.4 BS 6651: 1998. Pag.75
2.3.3.2.5 AS/NZS 1768-2003. Pag.75
2.3.4 Normatividad Nacional. Pag.76
2.3.4.1 NOM-022-STPS-1999, Electricidad estática en los Pag.76 centros de trabajo - Condiciones de Seguridad e Higiene.
2.3.4.2 NOM-001-SEDE-2012, Norma Oficial Mexicana. Pag.78
Instalaciones Eléctricas (Utilización).
2.3.4.3 NMX-J-549-ANCE-2012. Sistema de Protección Pag.78
Capítulo 3
3. Terminales aéreas Convencionales y
no Convencionales. Controversia Mundial. Pag.82
3.1 Protección Convencional de Sistemas contra
Tormentas Eléctricas. Pag.83
3.2 Protección No Convencional de Sistemas contra
Tormentas Eléctricas. Pag.85
3.3 Aplicación de la Protección Convencional de
Sistemas contra Tormentas Eléctricas. Pag.87
3.3.1 Principio de funcionamiento de las terminales
aéreas tipo Franklin. Pag.88
3.3.2 Materiales constitutivos del electrodo Franklin. Pag.90
3.4 Aplicación de la Protección No Convencional de
Sistemas contra Tormentas Eléctricas. Pag.91
3.4.1 Pararrayos Radiactivos Pag.91
3.4.2 Pararrayos ESE (Early Streamer Emission). Pag.93
3.4.2.1 Francia, ESE “estándar”, NFC 17-102 Pag.97
3.4.3 Pararrayos tipo CTS (Charge Transference System). Pag.98
3.4.3.1 Corrientes Corona de los sistemas CTS Pag.99
3.4.3.2 Normatividad internacional referente a los
sistemas CTS. Pag.103
4 Procedimiento de diseño de un Sistema de Protección contra Tormentas Eléctricas basado en la Norma Mexicana NMX-J-549-ANCE-2005. Aspectos fundamentales del diseño de un
sistema de protección contra tormentas eléctricas. Pag.109
4.1 Valoración de riesgo. Pag.111
4.1.1 Determinación de la frecuencia anual promedio
de rayos directos a una estructura. Pag.111
4.1.2 Mapa del promedio anual de densidad de rayos
a tierra por estados. Pag.112
4.2 Frecuencia anual permitida de rayos directos a
una estructura, Nd. Pag.113
4.2.1 Área equivalente de captura. Pag.115
4.2.2 Evaluación de la necesidad de protección. Pag.125
4.4 Diseño del sistema externo de protección. SEPTE. Pag.126
4.4.1 Método de la Esfera Rodante. Pag.126
4.4.2 Terminales aéreas Pag.130
4.4.3 Número y ubicación de terminales Pag.131
4.4.4 Conductores de bajada. Pag.134
4.4.4.1 Requisitos Pag.135
4.4.4.2 Conductores de bajada naturales. Pag.135
4.4.4.3 Trayectoria de los conductores de bajada y radios
de curvatura. Pag.136
4.4.4.4 Terminales aéreas y conductores de bajada para un Sistema Externo de Protección Aislado. Pag.139
4.4.5 Distancia de Seguridad. Pag.142
4.5 Diseño del sistema interno de protección SIPTE Pag.145
4.5.1 Unión equipotencial (UE) Pag.145
4.5.1.1 Elementos para lograr la UE Pag.145
4.5.1.2 UE a nivel externo para un SEPTE aislado Pag.146
4.5.1.3 UE a nivel externo: para un SEPTE no aislado. Pag.148
4.5.1.4 UE a Nivel Interno Pag.153
4.5.1.5 UE y Blindaje Electromagnético. Pag.157
4.5.2 Puesta a Tierra para el Interior del Edificio o
Estructura. Pag.163
4.5.3 Supresor de Sobretensiones Transitorias (SSTT). Pag.167
4.5.3.1 Puntos de Entrada de los Transitorios. Pag.167
4.5.3.2 Descripción de categorías de ubicación de los SSTT. Pag.170
Conclusiones. Pag.176
Anexo1. Proyecto de Aplicación. Diseño de un Sistema Pag.178 de Protección contra Tormentas Eléctricas
basado en la norma NMX-J-549-ANCE-2005. Pag.167
Anexo 2. Planos de Proyecto. Pag.191
Anexo 3. Índice de Tablas. Pag.196
Anexo 4. Índice de Ecuaciones. Pag.197
Anexo 5. Índice de Imágenes. Pag.199
Anexo 6. Glosario de Términos. Pag.204
1 Generalidades y conceptos básicos.
La dependencia que el ser humano tiene con el clima es obvia, ya que éste tiene serias consecuencias en todas nuestras actividades, desde un buen clima para las labores agrícolas hasta condiciones de desastre para las personas y propiedades.
El rayo, o más técnicamente, la descarga eléctrica atmosférica a tierra, es una condición especial del clima que ha sido objeto, desde tiempos remotos, de fascinación y miedo, lo que generó el hecho de representar al rayo como un poder divino en la mitología de casi todos los pueblos del mundo.
Debido a los conocimientos adquiridos sobre este fenómeno mediante el análisis, experimentación y observación científica en los últimos siglos, el rayo ha sido transferido de su posición divina, donde la oración y los ritos constituyeron los únicos medios de protección, a una simple manifestación del clima, donde sus propiedades lo ubican como un fenómeno físico, cuyo entendimiento originó el desarrollo de los medios de protección conocidos hoy en día.
1.1 Descarga atmosférica,
Definición.
La descarga atmosférica conocida como rayo, es la igualación violenta de cargas de un campo eléctrico que se ha creado entre una nube y la tierra o entre nubes.
La formación de las nubes, masas de agua en forma de vapor, se acompaña de fenómenos electrostáticos de separación de cargas: las partículas ligeras, cargadas positivamente, son arrastradas por las corrientes de aire ascendentes y las partículas pesadas, cargadas negativamente, caen por la acción de su propio peso.
Fig.1 Fenómeno electrostático de separación de cargas
Globalmente, a escala macroscópica, se crea un dipolo. Cuando el gradiente límite de rigidez dieléctrica se supera, se produce una descarga en el seno de la nube, entre nubes o entre las nubes y el suelo.
1.2 Fuentes de descargas atmosféricas.
En la naturaleza las descargas atmosféricas no son solo causadas por las nubes de descarga, existen también otras fuentes alternas, la causa que origina estos efectos se debe a la cantidad de energía que es liberada por los fenómenos que se describen a continuación:
1.2.1 Nube Cumulonimbus.
La teoría generalmente aceptada es la colisión entre partículas ligeras de cristales de hielo con gotas de agua al punto de congelamiento más pesadas. Las primeras, después de adquirir una carga positiva producto de la colisión y debido a lo ligero de su composición, permanecen en la parte superior de la nube, y las segundas, después de adquirir una carga negativa y debido a su mayor peso, se localizan en la parte baja de la nube. La distribución de la carga negativa en la parte baja de la nube de tormenta induce una carga positiva en el elemento que presenta una polaridad opuesta a la creada en la parte baja de la nube, ya sea a nivel de la superficie, objetos metálicos conectados a tierra, nubes adyacentes o en el mismo interior de la nube, es en este punto cuando se da el proceso de la descarga.
La nube es de desarrollo vertical excepcionalmente densa, normalmente de forma de yunque en la parte superior con características visuales moteadas. La nube es frecuentemente acompañada por fuertes aguaceros, rayos, truenos y algunas veces de granizo. También conocida como nube de tormenta.
Fig.2 Formación de la nube de tormenta.
1.3 Parámetros físicos de la descarga atmosférica.
La descarga eléctrica o rayo presentan parámetros físicos tales como:
Un arco eléctrico a gran escala con una energía promedio de 2*105
Las magnitudes de corriente de la descarga eléctrica, se clasifican estadísticamente mediante el registro de su magnitud y su frecuencia de ocurrencia, los valores probabilìsticos promedio se listan a continuación:
• 1% de los rayos exceden los 200 kA. • 10% de los rayos exceden los 80 kA. • 50% de los rayos exceden los 50 kA. • 90% de los rayos exceden los 8 kA. • 99% de los rayos exceden los 3 kA.
La frecuencia de ocurrencia es muy importante para determinar el nivel de seguridad de la protección, a su vez el nivel de seguridad determinara el numero de terminales pararrayos, esto quiere decir que: para diseñar una protección en base a una frecuencia de ocurrencia alta se necesitaría un mayor numero de terminales según el método de la esfera rodante, este efecto se explicara y desarrollara en los capítulos posteriores a este.
Fig.4 Distribución del tiempo necesario para alcanzar el valor cresta.
1.4 Clasificación de las descargas atmosféricas por su punto
de descarga.
1.4.1 Nube a nube
Se le denomina descarga atmosférica de nube a nube al rompimiento de la rigidez dieléctrica del aire entre nubes adyacentes, este fenómeno ocurre cuando la diferencia de potencial es mayor entre dichas nubes en comparación de otros puntos de referencia.
1.4.2 Nube – aire
Este suceso ocurre cuando se da un rompimiento de la rigidez dieléctrica del aire en dirección nube-aire; el streamer líder (o cuarto paso de la física de la descarga atmosférica se propaga a tierra fuera de la nube por medio de pasos discontinuos y discretos con longitudes promedio de 50 metros, la velocidad a la que se mueve es tan rápida (106 m/s) que no es perceptible al ojo humano. Este líder descendente escalonado contiene, a lo largo del canal y principalmente en su punta, una gran cantidad de carga eléctrica negativa) no contiene la cantidad de carga eléctrica necesaria como para incidir en algún otro punto de referencia, esta característica es enfatizada por la distancia y la carga eléctrica del rayo. La energía del rayo se disipa en el aire por medio de calor y sonido.
1.4.3 Intranube.
Fig.6 Descargas atmosféricas nube tierra
Dentro de esta clasificación, podemos encontrar dos casos:
1.4.4.1 Descargas positivas y descargas negativas.
El sentido de la descarga del rayo es, generalmente, un 90% rayo
negativos, es decir, la ruptura del arco eléctrico se da del polo
negativo (-) hacia otro punto de incidencia o polo (+). El rayo
negativo puede presentarse tanto de nube a tierra, que es el que
comúnmente observamos o hacia la nube desde un punto el cual
ofrece un líder ascendente capaz de romper la rigidez dieléctrica del
El otro 10 % son descargas conocidas como rayos positivos. Al igual
que sus similares también pueden ocurrir de nube a punto de
descarga o viceversa, la diferencia consiste en que la ruptura del
arco se da desde el polo positivo (+) hacia el polo negativo (-).
1.5 Proceso de la descarga atmosférica y etapas del rayo.
La descarga eléctrica atmosférica, antes de concebirse como tal, se desarrolla mediante las acumulaciones de carga generalmente en la nube, ya que como se estableció también puede haber un acumulamiento de cargas en tierra; el proceso de la descarga sigue los pasos que a continuación se conceptualizan:
1.5.1 Paso 1. Líder descendente.
Fig.7 Primer paso de la descarga atmosférica.
El rayo es la reacción eléctrica causada por la saturación de cargas
electroestáticas que han sido generadas y acumuladas
progresivamente durante la activación del fenómeno eléctrico, esta
Fig.8 Modelo del líder descendente.
El líder descendente va formando un camino mediante movimientos
discontinuos zigzagueantes a través del aire en arcos de 10 a 200 metros, con 50 metros promedio debido a que se mueve por el medio de menor rigidez dieléctrica, este viaje discontinuo es con una
velocidad promedio de 105 m/s con una densidad de carga lineal
típica de 10-3 C/m, la pausa entre pasos es de 10 a 125μs con un
1.5.2 Paso 2. Transición streamer-líder.
Fig.9 Modelo del streamer-líder.
La mecánica de propagación de este líder ascendente es similar a la mecánica seguida por el líder escalonado descendente.
Uno de los efectos de la atracción de cargas es el fenómeno que por
unos instante puede ser apreciado en los puntos mas altos de las
estructuras denominado efecto corona, el cual se caracteriza por la
aparición de chispas eléctricas generalmente de color verde-azul y
con fuerte olor a ozono (ionización del aire); cuando se visualiza este
fenómeno, el campo eléctrico-atmosférico de alta tensión es tan
grande que los pelos de la piel se ponen de punta hacia arriba y la
Fig.10 Generación del líder ascendente.
1.5.4 Paso 4. Ultimo paso de la descarga o distancia crítica
de rompimiento.
Fig.11 Ultimo paso de la descarga o distancia crítica de rompimiento Una vez que el líder descendente alcance una altura cercana a los puntos de descarga, los puntos equidistantes tienen la misma probabilidad de impacto.
1.5.4.1 Rayo de retorno.
Al hacer contacto el streamer-líder con el líder de conexión, se crea una conexión nube–tierra y las cargas de la nube pueden escaparse; el rayo que se ve es el rayo de retorno, que va desde el suelo a la nube (como se produce tan rápido el observador cree que es al revés). El brillo del rayo es aproximadamente igual al que harían 100 millones de lámparas incandescentes juntas, el calor producido por la descarga eléctrica calienta el aire y lo expande bruscamente, dando lugar a ondas de presión que se expanden como ondas sonoras y así produciendo el trueno.
Como sabemos, la velocidad del sonido es aproximadamente 340 metros/seg. , por lo cual el trueno se escucha después de desaparecer el rayo.
En el rayo la corriente es de unos 10.000 amperes y se transporta unos 20 o 30 coulombs de carga.
rayo de retorno. Así, el rayo puede caer varias veces sucesivamente (se ha observado hasta 42 veces).
En la figura 9 se puede observar la distancia típica de caída del rayo (3 Km.), y los tiempos del streamer líder, así mismo del rayo de retorno, dart leader y los subsecuentes que pueden ocurrir repetidamente como se estableció en el párrafo anterior.
Fig.12 Distancia típica de caída del rayo (3 Km.), tiempos del streamer líder, dart leader en .1 segundos de duración del rayo.
1.6 Efectos y consecuencias de las descargas eléctricas.
1.6.1 Sistemas en riesgo.
Seres Vivos.
Edificios y Estructuras.
Equipo Eléctrico y Electrónico.
Líneas de transmisión y líneas de distribución de energía eléctrica. Y el efecto sobre dichos sistemas:
Aturdicion, sordera, muerte.
Fuegos forestales, fuegos residenciales e industriales.
Perdidas en la industria.
Interrupciones de energía, sobretensiones y disturbios del sistema.
1.6.2 Efecto sobre sistemas.
1.6.2.1 Seres Vivos.
El cuerpo humano es una máquina bioeléctrica, polarizada eléctricamente y toda la actividad electromagnética del entorno nos afecta. Cada impacto de rayo genera una radiación o pulso electromagnético peligroso para las personas.
pulmonares y lesiones óseas, estrés pos-traumático, hasta efectos mortales por parao cardiaco, paro respiratorio, y lesiones cerebrales debido a la cantidad de energía que una descarga atmosférica es capaz de alcanzar, por ejemplo, si un rayo incide directamente en tierra o en una línea de energía aérea que cuenta con un sistema de protección pararrayos, la energía de la descarga será conducida a tierra por el elemento de protección ocasionando potenciales en la torre con respecto a tierra si se trata de una línea de transmisión y potenciales en la tierra circundante a la torre, ahora translademos este efecto de transferencia de energía a estructuras, instalaciones, postes, chimeneas, etc., en donde este efecto se repetirá pudiendo causar condiciones de peligro para la población debido a los efectos de la corriente eléctrica sobre el cuerpo humano.
Los efectos de la electricidad sobre el cuerpo humano dependen de los siguientes factores:
Intensidad de corriente.
El tipo de corriente (corriente continua de alta frecuencia para el caso del rayo).
La trayectoria seguida por la corriente a través del cuerpo.
Las condiciones dieléctricas de la persona en el momento de contacto.
De esta curva se observan las consecuencias de tener contacto con las partes en tensión; ya que por ejemplo, corrientes mayores de 50 mA y tiempos correspondientes a la zona 2 de la curva de efectos de la corriente eléctrica, pueden tener consecuencias mortales para el hombre, la forma mas fácil de prevenir un daño del shock eléctrico, es evitar que el cuerpo humano forme parte del circuito eléctrico.
Los efectos peligrosos para las personas ante la incidencia de una descarga eléctrica son el potencial de paso y el potencial de contacto.
1.6.2.1.1 Potencial de paso y Potencial de contacto.
La circulación a tierra en instalaciones u objetos metálicos conductoras de las corrientes producidas por las descargas atmosféricas, produce gradientes de voltaje sobre la superficie del suelo, en la vecindad de los sistemas en los que incide la descarga. El voltaje que exista entre los dos pies de una persona o las patas de un animal parado sobre el suelo, se le conoce como potencial o voltaje de paso; en tanto que el potencial que existe entre la mano y ambos pies para el caso de una persona, se conoce como potencial o voltaje de contacto, estos efectos son las explicaciones de muertes repentinas de personas y ganado donde no existió un contacto directo con la descarga durante una tormenta eléctrica.
Fig.14 Representación del Potencial de Paso
Fig.15 Diagrama del Potencial de Paso
Los potenciales de paso y de contacto pueden llegar a ser mortales, sus efectos dependen directamente de el peso de la persona (ya que el peso esta en función directa de la resistencia eléctrica), valor de la corriente que circula por el cuerpo expresada en ampers y de la resistividad del suelo en ohms-metro, este ultimo factor es determinante para el diseño de un sistema de protección pararrayos debido a que entre menor sea la resistividad eléctrica del suelo la disipación de energía será mas eficiente.
1.6.2.2 Edificios y Estructuras.
debido a la presencia de rayos laterales que son capaces de burlar la protección ocasionada por la falla del blindaje debido a la altura de la construcción.
Fuegos residenciales.
En países donde el mayor componente de las casas habitación es madera, los fuegos residenciales pueden llegar a ser considerables. De hecho, este aspecto es muy importante para efecto de evaluación del diseño de un sistema de protección contra fuego y explosión en instalaciones de alto riesgo
Una de las causas principales de fuego y explosión en este tipo de instalaciones lo constituye el rayo a tierra. De hecho, muchas compañías en el mundo “juegan” a la probabilidad de incidencia del rayo, dejando sus instalaciones sin protección, con resultados catastróficos. El problema aquí estriba en el hecho de que no existe una protección sistematizada para este tipo de instalaciones. Sin embargo, la aplicación de los conceptos básicos es suficiente para su correcta protección.
Fuegos forestales
parte de baja frecuencia) el material de los árboles es sometido a un gran efecto térmico, lo que produce fuego en su estructura.
Los árboles que crecen aislados o que tienen una altura tal que sobrepasan cualquier estructura, son un blanco de las descargas atmosféricas. Por ello, para esos casos se recomienda protegerlos como si fuesen una estructura.
1.6.2.3 Equipo Eléctrico y Electrónico.
Aún cuando los daños por rayo directo son más espectaculares, los daños causados por los efectos de Inducción debido a rayo cercano son de gran consideración cuando se involucra equipo electrónico sofisticado de gran valor económico y clave para algunos procesos de Producción
Durante la descarga del rayo se generan inducciones y acoplamientos en líneas de transporte eléctrico y de comunicaciones, todos los equipos electrónicos sensibles que se encuentre dentro de un radio de acción de de la descarga pueden estar afectados por una sobre tensión inducida.
electrónicos son:
Daños materiales: destrucción de los equipos de telefonía, alarma, detección de incendios, componentes electrónicos, electrodomésticos, emisores de televisión y otros equipos sensibles.
Envejecimiento prematuro de los equipos.
Inoperatividad temporal de los sistemas informáticos y de comunicación.
Perforación de instalaciones eléctricas.
Pérdidas económicas importantes.
1.6.2.4 Líneas de transmisión y líneas de distribución de
energía eléctrica.
Cuando las descargas inciden directamente en los circuitos aéreos, bien sean conductores de fase, hilos de guarda o postes, se producen tensiones transitorias excesivas en el sistema. Aunado a esto, las descargas que inciden cerca de un poste también pueden inducir tensiones excesivas en la línea, que finalmente causan flameos. Las tensiones transitorias viajan a lo largo de las líneas y pueden causar fallas de aislamiento en el equipo conectado a ellas si no se han protegido adecuadamente.
Por ciento (%) Ampers (A)
1 200000
10 80000
50 50000
90 8000
99 3000
Si la descarga cae directamente sobre las líneas, la potencia que debe ser disipada en corto tiempo en que esta se produce es del orden de 1010Kw.
aproximadamente, y debe tenerse por seguro que daños serios serán causados en el sistema; aun mas, es seguro que bajo estas circunstancias ningún equipo pueda proporcionar una protección adecuada. La mayor parte de las descargas no ocurren afortunadamente de manera directa sino en puntos adyacentes a la línea, produciendo voltajes inducidos que se comportan como ondas viajeras. Ondas de sobretensiòn también pueden ser producidas por un fenómeno de inducción por la presencia de nubes cargadas cercanas a las líneas.
Las ondas producidas por los fenómenos antes mencionados pueden ser representadas con la siguiente expresión:
e = E (e
-at– e
-bt)
Ecuación no.1 Tabla 1. Magnitud de las corrientes de las descargas Atmosféricas y su
Fi g.16 Curva típica de una descarga atmosférica.
Donde a y b son las constantes que determinan la forma de la onda. Una onda de ese tipo se muestra en la Fig.16; se emplea frecuentemente con propósitos de prueba cuando es necesario investigar el comportamiento del sistema bajo estas circunstancias como es el caso de transformadores de potencia sometidas a ondas de impulso con frentes de onda completa o cortada por citar un caso especifico.
1.7 Descargas Atmosféricas, hechos y mitos
Como se estableció en un principio, el rayo o descarga atmosférica fue para muchas culturas y sigue siendo para algunas un símbolo de fascinación, adoración y miedo, lo que conllevo a convertir un efecto de la naturaleza en un hecho divino; con el paso del tiempo y el desarrollo de tecnologías el rayo ha podido analizarse y explicarse mediante teorías creadas en base a el análisis, experimentación y observación, estas teorías han tenido una buena aceptación dentro de la comunidad científica. Sin embargo existen aun constantes suposiciones dentro de la sociedad especialista y no especialista, el objetivo de el desarrollo de este tema es el de establecer la diferencia entre el hecho y el mito.
En los párrafos adyacentes a este se establecerán las bases de cada uno de los casos de los hechos y mitos mas populares, después se realizara un análisis en base a los conocimientos de ingeniería eléctrica generando de este modo un panorama que brinde certidumbre suficiente a el lector para distinguir un hecho de un mito sin dejar de lado que un mito irremediablemente nació de un hecho con lo cual se explica el impacto fantástico que causa en el seno de la población.
Las creencias y cuestionamientos populares más repetitivos son:
a) Un rayo no cae dos veces en el mismo lugar. b) Protección ofrecida por neumáticos.
c) Situarse debajo de un árbol durante una tormenta es una garantía de la caída de un rayo.
d) ¿Es posible colectar la energía del rayo?
1.7.1 Un rayo no cae dos veces en el mismo lugar.
Las descargas atmosféricas son sucesos puramente probabilísticos con frecuencias de incidencia remotos, es decir, no se puede determinar el punto exacto y por supuesto tampoco la hora y día de la caída de un rayo en un punto especifico, este hecho reforzaría sin duda la teoría de un rayo no cae dos veces en el mismo lugar mas sin embargo existen datos que prueban lo contrario; el Empire State ha sido golpeado alrededor de 25 veces por año1 entre otras esta es una prueba fehaciente de que múltiples
descargas pueden incidir en un solo punto.
La incidencia de rayos es afectada directamente por factores como:
a) Nivel Ceraunico.
b) Densidad de Rayos a Tierra
1.7.1.1 Nivel Ceraunico.
El nivel ceráunico de un lugar es el número promedio de días al cabo del año en los que hay tormenta. Se considera día con tormenta a aquel en el que al menos se oye un trueno, existen zonas con un nivel ceráunico mayor que el que se podría encontrar en diferentes regiones del mundo, para identificar estas regiones se han creado mapas útiles como referencia sobre la probabilidad de la caída de rayos, estos mapas se construyen en base a las líneas isoceraúnicas que delimitan áreas territoriales con un mismo nivel ceráunico.
1
1.7.1.2 Densidad de Rayos a Tierra (DRT).
La Densidad de Rayos a Tierra (DRT) es el numero de descargas eléctricas a tierra por kilometro cuadrado al año, es un parámetro complementario al nivel ceráunico que permite cuantificar la incidencia de rayos en la zona.
Es importante establecer que aun aunque un punto de impacto nunca halla recibido una descarga esto no es garantía de que no pueda ser golpeada repetidamente en un lapso de tiempo muy corto, el numero de veces que una estructura, cualquiera que fuere la naturaleza de esta, que sea golpeada por un rayo, dependerá del nivel ceráunico de la zona, su DRT y por supuesto de su altura basándonos el tercer paso de la descarga eléctrica, el cual encuentra su referencia incluido en este capitulo.
1.7.2 Protección ofrecida por neumáticos.
El automóvil ofrece un lugar seguro, siempre y cuando las personas se encuentren totalmente en su interior y el automóvil sea cerrado con toldo metálico (no convertible).
Los neumáticos no ofrecen ningún aislamiento sobre tierra, ya que las partes metálicas de fijación de los neumáticos se encuentran a unos cuantos centímetros del suelo, seria ingenuo pensar que el aislamiento de un neumático puede aislar una descarga que es capaz de trazar arcos eléctricos equiparables con la longitud que existe entre tierra y nube de descarga.
La protección que un automóvil brinda a sus ocupantes se basa en el principio de la jaula de Faraday imperfecta, la aplicación esta tesis se aprecia en un recinto metálico de paredes no necesariamente continuas, que constituye una pantalla eléctrica o electrostática en el cual el campo
mismo bajo esta línea de operación las descargas eléctricas se comportan
de la misma manera, utilizando un automóvil como medio de arqueo
reduciendo la distancia dieléctrica.
1.7.3 Situarse debajo de un árbol durante una tormenta
significa
un peligro inminente ante la caída de un rayo.
Basándose en el tercer paso del proceso de la descarga atmosférica y etapas del rayo, donde se define el concepto de líder ascendente, se establece que durante el proceso de una descarga todas las estructuras presentaran un efecto corona en sus puntas salientes compitiendo en potencial tratando de alcanzar el líder descendente escalonado.
Las estructuras al presentar una ionización en sus puntas brindan un punto de incidencia de la descarga; los arboles como un ejemplo de estructuras altas son focos de impacto frecuentes para el rayo.
1.7.4 ¿Es posible colectar la energía del rayo?
A pesar de la intempestiva magnitud de la energía que una descarga eléctrica es capaz de liberar, la mayor parte de la energía producida durante el fenómeno es liberada en calor a través del aire circundante mediante el calentamiento del aire circundante, este calor extremo hace que el aire se expanda a una velocidad explosiva, la explosión crea una onda de sonido estruendosa, conocida como trueno.
2 Protección contra descargas atmosféricas.
Mediante este capitulo se establecen los inicios históricos de la
experimentación con descargas eléctricas, los niveles de protección de los
primeros sistemas contra rayos, el nacimiento de las teorías de protección,
así como el inicio de las aplicaciones practicas de dichas teorías y el
análisis de los métodos actuales normalizados de protección contra
tormentas eléctricas.
De la misma manera, se puntualizan y desarrollan las normatividades,
tanto nacionales como internacionales y extranjeras aplicables al diseño de
Sistemas de Protección Contra Tormentas Eléctricas.
2.1 Inicios
2.1.1 Experimento de Benjamín Franklin
El rayo ha sido observado desde la antigüedad tratando de averiguar su
naturaleza, pero fue Benjamin Franklin quien planeo un experimento que
consistía, durante el suceso de una tormenta eléctrica; montar una pieza
metálica en una cometa, unidos estos por medio de un hilo mojado que se
encargo de conducir la electricidad hasta una llave que se encontraba
cerca del extremo que sostenía Franklin, el sujeto todo con un tramo de
hilo seco.
La llave se cargó eléctricamente y soltaba chispas al acercársele la mano.
Las fibras del hilo se erizaban por la estática, no había caído ningún rayo
sobre la cometa, sino que manifestaba una corriente, fruto de la diferencia
de tensión entre el cielo y la tierra. Había demostrado que tanto las
descargas que se producían por efecto de la electricidad estática como las
En sus experimentos con puntas metálicas, llegó a la conclusión de que
las nubes de tormenta descargan preferentemente dicha electricidad
estática sobre montañas elevadas, árboles, torres, mástiles o cualquier
otro objeto metálico aterrizado.
En 1752 Benjamín Franklin publicó en su famoso Almanaque del Pobre
Richard (Poor Richard's Almanac) una aplicación interesante para este
fenómeno. Propuso la idea de utilizar el efecto punta para protegernos de
la caída de los rayos. Nacía así el pararrayos.
Al año siguiente (1753) el ruso George Wilhem Richman, trabajó sobre la
idea de Franklin disponiendo una varilla para la captura de rayos, pero no
fue tan afortunado y murió al recibir una descarga. Es el riesgo de los que
exploran en el límite de lo conocido.
Las cargas alrededor de un conductor no se distribuyen uniformemente, se
acumulan más en las partes más afiladas, y si se trata de curvas, se
agrupan del lado convexo y en mayor cantidad cuanto más cerrada es la
curva. Esta propiedad fue aprovechada por Benjamín Franklin para
diseñar su pararrayos. Usando puntas se logra acumular rápidamente la
carga, y éstas al acumularse en un área, vencen con facilidad la
2.1.2 Terminales aéreas.
Con base en la experimentación de Benjamin Franklin, las terminales
aéreas, por tanto, pueden definirse como aquellos elementos metálicos
aterrizados que ofrecen preferentemente un punto de incidencia del rayo,
así como un camino seguro para la disipación de la corriente de rayo a
tierra. Por lo tanto, el único objetivo de una terminal aérea es conducir a
través de sus elementos constitutivos la corriente de rayo que podría, de
otra manera, golpear algunas de las partes vulnerables del objeto a ser
protegido.
Para llevar a cabo la función de protección de objetos, edificios o
estructuras, la posición y altura de las terminales aéreas verticales deben
ser tales que el rayo incida preferentemente sobre dichas terminales
aéreas, dejando la efectividad del sistema contra fallas de blindaje al
parámetro conocido como distancia o cobertura de protección.
A partir de entonces, la protección contra tormentas eléctricas basada en
electrodos Franklin representó una solución práctica, extendiéndose en
toda América, Europa y el resto del mundo. Aún cuando el concepto fue
puramente empírico con una protección por debajo del 100%, la técnica en
el uso del electrodo Franklin fue mejorado y perfeccionado con el paso del
Fig.17Angulo de protección de una terminal aérea según Benjamin Franklin. A= Punto de impacto, B y C= Distancia limite de la zona de protección, ht= Altura de la
terminal aérea, α= Angulo de protección ofrecido por la terminal.
De acuerdo con Benjamin Franklin una terminal aérea que rebase la
altura máxima de una estructura cualquiera que fuere su naturaleza,
traza una zona cónica debajo de ella, la cual probabilísticamente es
inmune a la incidencia de una descarga atmosférica dentro de ella, a esta
zona, la cual es apreciable en la Figura 17, se le conoce con el nombre de
Angulo de Protección.
2.1.3 Primer Guía de Diseño de Protección.
Aún cuando se considera que Benjamín Franklin fue el primero en
proponer un cono de protección como medida de la efectividad del sistema
de protección convencional; en 1823 Gay-Lussac propuso un cono de
protección con un radio de dos veces la altura de la terminal aérea. Debido
a una gran actividad atmosférica de rayos a tierra en la mayor parte de
Europa Continental; en 1822, el Ministro del Interior de Francia ordenó la
protección de todos los edificios públicos, utilizando el mejor modelo y
Para llevar a cabo la protección, el Ministro pidió oficialmente a la
“Academia de Ciencias” revisar la eficiencia del sistema de protección,
nombrándose un comité de seis miembros notables, todos ellos
investigadores del fenómeno de la electricidad: MM Poisson,
Lefevre-Gineau, Girard, Dulong, Fresnel y Gay-Lussac.
El informe sobre el estudio realizado por los investigadores fue entregado a
la “Academia de Ciencias”, el cual fue adoptado como el modelo de
protección y declarado como un documento de extrema importancia. La
importancia de dicho documento fue de tal magnitud, que el gobierno
Francés ordenó distribuirlo a todos los funcionarios públicos, a la iglesia y
otras instancias con el objeto de hacerlo del conocimiento general. Este
documento llego a ser la primera guía de una zona de protección específica
con aplicación a las terminales aéreas de un sistema de protección contra
tormentas eléctricas.
2.2 Métodos de protección contra descargas atmosféricas
basados en el principio del electrodo Franklin.
Estando concientes de que la protección ofrecida por una punta
pararrayos se limita a un cierto volumen, se han desarrollado métodos
sistemáticos que determinan la posición óptima de los electrodos para
ofrecer la máxima protección a estructuras, edificios, hogares, etc.
Los métodos de protección, basados en electrodos Franklin, que se
utilizan en la actualidad son:
2.2.1 Método del Cono o Angulo de protección.
La primera descripción de la zona de protección fue establecida por
Benjamín Franklin, quien definió una zona cónica debajo y alrededor de
una terminal aérea vertical con un ángulo aproximado de 58º a partir del
eje vertical.
Fig.18Zona de protección propuesta por Benjamin Franklin de aproximadamente 58°.
Inicialmente la zona de protección estuvo basada en observaciones de
campo. A partir del siglo XVIII, algunos investigadores definieron otras
zonas de protección, con ángulos de protección menor, debido quizá a las
fallas en la protección mostradas por ángulos más grandes o quizá por la
construcción de edificios más altos. Esto conlleva a la definición del ángulo
terminal aérea que es sustancialmente inmune a sufrir la incidencia de un
rayo directo.
Más adelante, en 1840 y basado en observaciones, Sir William Snow
Harris publicó un documento para la protección de embarcaciones
marítimas basado en la zona de protección 2:1; es decir, el radio de la
protección seria igual al doble de la altura de la terminal aérea con la cual
se protegía la estructura. De alguna manera, lo elevado de las
embarcaciones ofrecía un muy buen modelo de protección, debido a la
poca influencia que se tenía alrededor de la embarcación.
Fig.19 Zona de protección propuesta por William Snow en 1840, con un ángulo de aproximadamente 63°.
El método ofrecido por Sir William Snow fue adoptado en 1847 por la
Marina Real, debido al éxito obtenido en la instalación del sistema de
protección en 30 buques de la Marina Real que durante los últimos 12
años habían sido expuestos a severas tormentas eléctricas ocurridas en
diferentes latitudes, sin experimentar daño alguno. A partir de estas
observaciones, puede decirse que el cono de protección mediante un
ángulo de protección con relación 2:1 había sido un éxito.
Después, en 1880, Preece condujo una serie de experimentos para medir el
campo eléctrico cerca de una terminal aérea vertical, concluyendo lo
En 1892, Sir Oliver Lodge publicó una revisión de los conceptos de las
zonas de protección propuestos hasta esa fecha. La variación encontrada
fue muy amplia: desde 90 hasta 30 grados. Como resultado de las
observaciones realizadas en ese tiempo, el cono de protección fue
modificado con ángulos desde 45 hasta 64 grados.
En 1914, las investigaciones de Larmor & Larmor tuvieron un ingrediente
innovador de análisis, ya que la zona de protección fue analizada por
medio de las líneas de campo eléctrico mediante el uso (ya disponible en
ese tiempo) de la teoría electromagnética de Maxwell y el trabajo tomaba
en cuenta rayos oblicuos o inclinados. De hecho, este trabajo es
considerado como el primer documento en correlacionar el mecanismo de
la ionización de gases con la propagación del rayo.
En la década de los veinte, Peek evaluó el concepto de zona de protección
mediante pruebas de laboratorio para determinar las zonas de protección
desde 64º hasta 76º.
En la Figura 20 se aprecian los diversos ángulos de protección según el
personaje que les dio origen mediante su investigación, para determinar el
ángulo de protección basta con seguir las trayectorias limitadas por los
Fig.20 JBCK Gay Lussac 1823; BAC Snow 1840; DAE Paris Commission 1875; LFGM Chapman 1875; FAG Adams 1881; FAG Preece 1880; HAI Melsens.
2.2.1.1 Determinación del Ángulo de protección.
Para determinar el ángulo de protección se utilizan diferentes conceptos
apreciables en la Figura 21, los cuales son:
El ángulo optimista.
Fig. 21Conceptos del ángulo de protección.
2.2.1.1.1 Ángulo Optimista
El ángulo optimista (α1 de la Figura 21), denominado así debido a que
ofrece un margen de protección muy grande, implica tener un ángulo
siempre mayor o igual a 45º.
El área de protección ofrecida por la superficie OABO es mucho mayor al
suministrado por la esfera rodante, con una zona desprotegida (de acuerdo
al método de la Esfera rodante; descrito en el siguiente tema) definida por
la línea AB y el arco de la Esfera rodante. Este criterio, aplicado hace
muchos años, tuvo que ser modificado (ángulos más reducidos) debido a
las fallas de blindaje observados para estructuras elevadas y con una
ubicación cerca de la línea que define el cono de protección.
Ecuación del Ángulo optimista.
……… Ecuación no. 2
…... Ecuación no. 3
2.2.1.1.2 Ángulo de áreas equivalentes.
El ángulo de áreas equivalentes (α2 de la Figura 21), ofrece un criterio de
protección muy similar al de la Esfera rodante, ya que sus respectivas
áreas de protección son equivalentes. Sin embargo, es muy importante
notar que existe aún una zona desprotegida definida por la línea AE y su
intersección con el arco de la esfera rodante como límite superior y el arco
de la esfera rodante como límite inferior. Esta zona desprotegida puede
representar una diferencia importante en la efectividad de la protección.
Ecuación del Angulo de áreas equivalentes.
……… Ecuación no. 4
……… Ecuación no. 5
Donde, α2 = Angulo de áreas equivalentes.
2.2.1.1.3 Ángulo conservador.
Con el ángulo conservador (a3 de la Figura 21) se tienen ángulos de
protección mucho muy pequeños, lo que representaría elevar la efectividad
del sistema de protección, pero el costo sería muy elevado, ya que se
requeriría de una gran cantidad de terminales aéreas.
Este criterio establece un ángulo de protección cero cuando la altura de la
terminal aérea es igual al radio de la esfera rodante, situación que ofrece
muy poco para un sistema de protección.
Finalmente, el Ángulo optimista OABO ha demostrado presentar grandes
fallas de blindaje debido a lo aventurado de su protección, en lo que se
refiere al Ángulo conservador OAFO, aunque la protección que proporciona
es muy confiable repercutiría en elevadas sumas económicas en las
instalaciones practicas; el concepto generalmente aplicado es el del Ángulo
de áreas equivalentes OAEO, el cual indica que el área cuantitativa de
protección proporcionada por el ángulo α2 es igual al área de protección de
la Esfera rodante.
La comparación entre el Angulo de protección y el método de la Esfera
rodante es apreciable es la Tabla 4, la cual se encuentra al final del
desarrollo del método de la esfera rodante con el fin de aumentar su
Fig.22Método del Ángulo de protección utilizando dos terminales aéreas verticales.
2.2.2 Modelo Electrogeométrico o Esfera rodante.
En el periodo comprendido entre 1950 y 1970, se estableció un fuerte
compromiso para proteger las líneas de transmisión de energía eléctrica
contra el efecto de los rayos directos en Estados Unidos, como
consecuencia, se generó una extensa investigación, en donde
investigadores como Whitehead, Wagner y Hileman realizaron importantes
contribuciones.
La aplicación del modelo electrogeométrico permitió que los índices de falla
por tormentas eléctricas de las líneas de transmisión disminuyeran
notablemente, aumentando en forma importante su confiabilidad.
En 1978, Lee publicó un artículo en el que se describen las características
de la protección de edificios contra tormentas eléctricas con base en el
modelo electrogeométrico usado en la protección de líneas de transmisión.
Este modelo, conocido actualmente como el método de la Esfera rodante,
es aplicado por la mayoría de las normas nacionales e internacionales.
El modelo Electrogeométrico o de la Esfera Rodante consiste en suponer el
Fig.23 Aplicación del Modelo Electrogeométrico, los puntos de incidencia
representan la colocación de terminales aéreas, R; se refiere al radio de la esfera
según el nivel de protección.
Los puntos de contacto en los que la Esfera Rodante incide, serán pues,
las localizaciones de las terminales aéreas pararrayos con un área de
protección equivalente a la sombra debajo de la esfera rodante en ese
punto, obviamente la sombra de protección dependerá del radio de la
esfera.
Con el fin de dar crédito a la aplicación del método de la Esfera rodante (en
caso de que su uso por la comunidad científica no fuera suficiente),
Horvath establece que este método ya había sido formulado y validado
en 1991, Horvath establece la validación de la eficacia del método
mediante simulaciones en computadora.
La principal hipótesis de este método de protección es que la cantidad de
carga espacial contenida en el líder escalonado descendente, la cual
precede al rayo de retorno, está íntimamente relacionado con la amplitud
de la corriente del rayo de retorno. En otras palabras, el último paso de la
descarga está relacionado al potencial de la descarga del rayo, el cual a su
vez, está directamente relacionado con la carga en la nube. Como el pico
de la corriente del rayo de retorno está también relacionado con la carga
en la nube, puede decirse que el último paso de la descarga depende del
valor pico de la corriente del rayo de retorno.
2.2.2.1 Niveles de protección
El método de la Esfera Rodante en la actualidad, es reconocido
internacionalmente en todas las normas referentes a la protección contra
descargas eléctricas debido a su éxito al ser aplicado, debido a que se basa
en los conceptos de la intensidad de la descarga (kA) y del nivel de
protección (I-IV); ya que el ultimo paso de la descarga esta relacionado al
potencial de la descarga del rayo se ha determinado que para un rayo en
un rango de intensidad de corriente se puede utilizar un radio
previamente establecido de la Esfera rodante; esto es que para cuestiones
de diseño de la protección contra rayos, se escoge un radio de la esfera
según la corriente de la descarga contra la cual se protege el sistema, lo
cual da una garantía limitada de la protección según el nivel al cual se
protege el sistema amenazado.
Los niveles de protección basados en el Modelo Electrogeométrico, están
depositados en la Tabla 2.1
2
Nivel de protección.
de corriente de rayo. terminal aérea sobre
la superficie a proteger.
rs(m), I(kA) h
I 20(m), 3(kA) ≤ 20 m
II 30(m), 6(kA) ≤ 30 m
III 45(m), 10(kA) ≤ 45 m
IV 60(m), 16(kA) ≤ 60 m
NOTA: La corriente I(kA) es estimada mediante la ecuación
rs= 9.4 (I¨2/3) para el radio rs (m) correspondiente.
Tabla 2. Niveles de protección de acuerdo al radio de la Esfera rodante; a un nivel de protección mas bajo el radio de la esfera se reduce aumentando la
protección.
Por ejemplo, si se considera un valor de diseño de 20 m (nivel I de
protección) para el radio de la esfera rodante, la instalación esta protegida
para corrientes de rayo mayores o iguales que 3 kA; las corrientes de rayo
menores tienen una elevada probabilidad de penetrar el sistema de
Si se considera un valor de diseño de 30 m (nivel II) para el radio de la
esfera rodante, la instalación esta protegida para corrientes mayores o
iguales que 6 kA; las corrientes de rayo menores tienen una elevada
probabilidad de penetrar el sistema de protección.
Y así sucesivamente para los demás valores de diseño para el radio de la
esfera rodante (niveles III y IV). De acuerdo a la clasificación de los niveles,
cuanto menor sea el nivel, mayor es la protección, ya que considera
corrientes menores en la efectividad del blindaje que ofrecen las terminales
aéreas.
Al aumentar el radio de la esfera rodante, disminuye el número de
terminales aéreas necesarias para la protección, pero aumenta la
probabilidad de que el rayo penetre el sistema de protección.
Un aspecto importante en la evaluación de la protección con el método de
la esfera rodante, es que la altura máxima efectiva del elemento de
protección a partir del plano a proteger será igual al radio utilizado para la
esfera rodante.
Cuando la altura de la terminal aérea es mayor que el radio de la esfera
Rodante, la protección máxima estará limitada a la zona de protección
definida por el punto de unión entre la esfera rodante y la altura de la
terminal aérea correspondiente al radio de la esfera rodante, es decir; para
una altura de una determinada terminal la cual rebase el radio con el que
se esta protegiendo como en el caso de los edificios altos, se necesitaran de
medidas alternas de protección como anillos equipotenciales o terminales
Las corrientes de rayo mayores que 3 kA representan el 98 % de
los rayos medidos en un cierto tiempo (ocurrencia).
Las corrientes mayores que 8 kA representan el 90 % de
ocurrencia.
Las corrientes mayores que 28 kA representan el 50 % de
ocurrencia.
Las corrientes mayores que 80 kA representan el 10 % de
ocurrencia.
Las corrientes más elevadas, en este caso, mayores que 200 kA,
representan sólo el 1 % de ocurrencia.
Como puede observarse, existe una elevada probabilidad de incidencia de
rayos con bajo valor de corriente y una probabilidad mucho menor para
corrientes más elevadas.
2.2.2.2 Análisis Geométrico del Método de la Esfera
rodante.
Al establecerse al aplicación de la Esfera rodante como un método de
protección contra las descargas atmosféricas, se describe a continuación el
análisis geométrico; por medio de este análisis se establecen las formulas
necesarias para aplicar la protección en cualquier estructura donde se
requiera la instalación de terminales aéreas con el fin de desempeñar la
labor de pararrayos.
2
Fig.24Análisis Geométrico del Método de la Esfera rodante.
De la Figura 24; mediante el análisis geométrico, se define que:
Para una terminal aérea con una altura (H) menor que el radio de la Esfera
rodante la distancia máxima de protección (D) para un objeto con una
altura (B), con una incidencia de la esfera de terminal aérea a plano es:
……… Ecuación no. 8
De la misma manera, para terminales aéreas con una altura (H) menor que
el radio de la Esfera rodante la distancia máxima de protección (R) para un
objeto con una altura (B), con una incidencia de la esfera de terminal
aérea a terminal aérea es:
…… Ecuación no. 9
Así pues, para determinar la altura mínima de protección ofrecida entre
terminales aéreas cuando la distancia entre ellas es menor que el diámetro
con una altura (B), con una incidencia de la esfera de terminal aérea a
plano es:
……… Ecuación no. 11
Donde:
H = Altura de la terminal aérea A o B.
rs= Radio de la Esfera rodante según el nivel de protección seleccionado.
G = Mínima altura de protección ofrecida entre terminales aéreas según el
nivel de protección seleccionado.
S = Distancia entre terminales aéreas.
B = Altura del objeto protegido.
D = Distancia máxima de protección para un objeto con una altura B, con
una incidencia de la esfera de terminal aérea a plano.
R = Distancia máxima de protección para un objeto con una altura B, con
una incidencia de la esfera de terminal a terminal aérea.
P1, P2 = Centros de la Esfera rodante.
Nivel de protección.
Radio de la Esfera rodante rs(m) y su correspondiente valor de corriente de
rayo I(kA)
rs(m) I(kA) h=20 m h=30 m h=45 m h=60 m
I 20 3 25 (1) (1) (1)
II 30 6 35 25 (1) (1)
III 45 10 45 35 25 (1)
IV 60 16 60 45 35 25
h corresponde a la máxima altura de la terminal aérea.
(1) No se puede aplicar el concepto del ángulo de protección, debido a que la altura de la terminal aérea es mayor que el radio de la esfera rodante.
Tabla 33. Niveles de protección del Angulo de protección según el radio de la
esfera rodante.
2.2.2.3 Evolución de los criterios de protección de la esfera
rodante.
El criterio de protección basado en el método de la esfera rodante se apoya
en observaciones científicas, experimentos en laboratorio, mediciones de
campo de la corriente de rayo y su interrelación con el último paso de la
descarga, siendo éste último el parámetro más importante en la definición
del radio de la esfera rodante.
En las últimas décadas, la investigación en la protección contra tormentas
eléctricas ha mostrado dos tendencias: una relacionada con la
modificación de la terminal aérea como punto de sacrificio con el objeto de
aumentar la cobertura de protección, y la otra relacionada con el
mejoramiento de los criterios de protección incluyendo parámetros
adicionales, con el objeto de aumentar la eficiencia del sistema de
protección.
El consenso internacional indica que a mediano y largo plazo, es mejor
aumentar la eficiencia de la protección basados en la ubicación y
espaciamiento de las terminales aéreas de intercepción de rayo, así como
la geometría de la terminal, para obtener un mejor costo- beneficio.
4
norma, que utilicen como un punto preferente de impacto de rayo y se
instalen conforme al criterio de protección del método de la esfera rodante.
Los resultados obtenidos en investigaciones recientes han creado una
perspectiva de mejoramiento en los criterios de protección contra rayo y
está basado en la inclusión de parámetros adicionales a los ya utilizados
en el método de la esfera rodante. Estos parámetros adicionales sujetos a
investigación son los siguientes:
Efecto sobre los parámetros ambientales de la altura sobre el
nivel del mar en la física de la descarga del rayo.
El efecto cuantitativo de la altura de las terminales aéreas
utilizadas en la protección cuando se encuentran en diferentes
zonas de gradiente de potencial generado por el desarrollo del
rayo.
El efecto de la intensificación del campo eléctrico creado por la
propia estructura o la terminal aérea debido a sus
características geométricas y su impacto en la eficiencia de la
protección.
La variación de la probabilidad de descarga de los diferentes
elementos en la estructura.
Los parámetros físicos de rayo como son: carga eléctrica del
líder, velocidad de propagación tanto del líder descendente como
El método de la esfera rodante es un método consensuado
internacionalmente, cuyo principal objetivo es reducir el riesgo de
incidencia directa sobre personas y estructuras en áreas de trabajo o
esparcimiento. La inclusión de parámetros adicionales en el método de
protección para mejorar el costo-beneficio del sistema de protección con
base en terminales aéreas puede implicar la reducción de puntos de
sacrificio para la intercepción del rayo. Es por eso, que los resultados
obtenidos en laboratorio y en campo deben ser avalados y consensuados
internacionalmente a través de la normatividad internacional antes de ser
aplicados, ya que lo que está en juego es la seguridad de las personas y las
instalaciones y su contenido.
2.2.3 Método de la Malla Extendida.
En 1820, Hans Cristian Oersted descubrió la presencia de campos
magnéticos alrededor de un conductor por el cual circula una corriente
eléctrica. Esto originó que científicos de la talla de André-Marie Ampere en
Francia y Michael Faraday en Inglaterra tomaran los resultados de Oersted
para realizar trabajos de investigación en electromagnetismo.
En los siguientes cincuenta años, la intensa campaña de investigación
rindió sus frutos, cuando Clark Maxwell (un alumno de Michael Faraday)
propuso, en 1866, un sistema alterno de protección contra tormentas
eléctricas, el cual se conoce como Jaula de Faraday o una terminal aérea
tipo Malla, desde entonces, tanto el electrodo Franklin como la Jaula de
Fig.25Protección mediante el método de Malla extendida donde los conductores eléctricos que cubren el área protegida hacen el rol de terminales aéreas de
sacrificio.
El método de la Mallas extendida puede utilizarse para la protección de
superficies planas con el propósito de ofrecer protección en toda la
superficie si se cumplen las siguientes condiciones:
Las terminales aéreas o en este caso, conductores eléctricos se encuentran
ubicadas en:
Las orillas de los techos. Salientes de los techos.
Cuando las superficies laterales de la estructura a niveles
mayores que el radio de la Esfera rodante están equipadas con
Las dimensiones de la malla extendida no es mayor que los valores
indicados en la Tabla 44, la Malla extendida está definida de tal manera
que la corriente de rayo siempre tendrá la posibilidad de encontrar al
menos dos rutas metálicas distintas a las terminales aéreas conectadas a
tierra donde los conductores de la malla extendida siguen las rutas más
cortas y directas.
Nivel de protección.
Radio de la Esfera rodante rs(m) y su correspondiente valor
de corriente de rayo I(kA)
Método de la malla extendida. Tamaño de la malla.
rs(m), I(kA)
I 20(m), 3(kA) 5 x 5 m
II 30(m), 6(kA) 10 x 10 m
III 45(m), 10(kA) 15 x 15 m
IV 60(m), 16(kA) 20 x 20 m
NOTA: La corriente I(kA) es estimada mediante la ecuación
rs= 9.4 (I¨2/3) para el radio rs (m) correspondiente.
Tabla 4. Niveles de protección de la Malla extendida según el radio de la esfera rodante.
A medida que el radio de la Esfera rodante aumenta, el área de protección
que la Malla extendida brinda disminuye; es decir, entre mas grande es el
área de la Malla la probabilidad de que la protección sea
penetrada-crecerá.
1
protección contra descargas atmosféricas, el cual tiene el objeto de brindar
puntos de impacto al rayo y conducirlo hasta un medio de disipación que
no represente peligro alguno tanto para los seres vivos como para las
instalaciones protegidas, es prioritario entonces, establecer la
Normatividad necesaria para realizar diseños de Sistemas de Protección
contra Tormentas Eléctricas (SPTE).
En esta sección se enlistaran las principales y mas importantes
normatividades existentes referentes a los SPTEs; podrá verificarse la
inclusión de los principales aspectos de cada norma, la postura actual
internacional y nacional sobre los medios de protección, así como la
aceptación de riesgo que cada norma avala.
2.3.1 Inicios de la Normatividad.
Casi al mismo tiempo que Preece, Anderson (1879) publicó un libro clave
sobre protección contra tormentas eléctricas titulado “Conductores de
protección contra rayo – Su historia, naturaleza y forma de aplicación”.
Este libro es considerado como la primera norma sobre protección contra
tormentas eléctricas. De hecho, la mayor parte de las recomendaciones
contenidas en el libro de Anderson siguen vigentes y son aplicadas con
éxito.
La Real Sociedad de Meteorología de Inglaterra pidió al Instituto Real de
Arquitectos, a la Sociedad de Física y a la Sociedad de Ingenieros
para la instalación de los elementos constitutivos de un sistema de
protección convencional contra tormentas eléctricas.
Al final de un intenso debate e intercambio de experiencias, el comité
publicó, en 1882, el “Informe de la Conferencia sobre Electrodos
Pararrayos”, el cual establecía una serie de recomendaciones para la
instalación del sistema de protección contra tormentas eléctricas en
Inglaterra. Las técnicas de protección contenidas en dicho informe fueron
consideradas infalibles en ese tiempo.
En 1904, la Asociación Nacional de Protección contra Incendios (NFPA por
sus siglas en inglés) adoptó y condensó en gran medida las
recomendaciones contenidas en el informe de 1882 dentro de las
“Especificaciones para la Protección de Edificios Contra Tormentas
Eléctricas”, cuyo principal objetivo fue proveer recomendaciones prácticas
para la instalación de un sistema de protección.
La filosofía de dichas especificaciones está contenida en las siguientes
palabras:
“Se ha demostrado que los conductores de protección contra rayo, cuando
son instalados adecuadamente, constituyen un medio de protección. La
limitación que nos impone el enfrentarnos a valores de corrientes
desconocidas puede ser superada suministrando una superficie metálica
suficiente para manejar, absorber y disipar la corriente de rayo que
pudiera presentarse.”
“Al mismo tiempo, la protección suministrada por un conductor dependerá
de la posición relativa de la descarga eléctrica y de los objetos encontrados
a su paso. Cuanto más elevada sea la proyección de dichos objetos sobre el
nivel general a protegerse, menor será la distancia a la nube de tormenta
