CAPITULO 1 ORIGEN DE LAS DESCARGAS ATMOSFÉRICAS
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ESTUDIO SOBRE PROTECCIONES CONTRA DESCARGAS ATMOSFERICAS FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA ELÉCTRICA “ESTUDIO SOBRE PROTECCIONES CONTRA DESCARGAS ATMOSFÉRICAS” TESINA QUE PARA OBTENER EL TITULO DE: INGENIERO MECÁNICO ELECTRICISTA PRESENTAN: GUTIÉRREZ SEGURA AUDOMAR. PÉREZ BARRIENTOS BARTOLO. POZA RICA DE HIDALGO, VERACRUZ. A 30 DE ABRIL DEL 2002. 1 ESTUDIO SOBRE PROTECCIONES CONTRA DESCARGAS ATMOSFERICAS AGRADECIMIENTOS 2 ESTUDIO SOBRE PROTECCIONES CONTRA DESCARGAS ATMOSFERICAS A DIOS Quién permitió que nuestros padres nos trajeran al mundo, que fue su voluntad el permitirnos vivir y darnos su esfuerzo, para poder lograr cursar nuestros estudios y culminar la carrera profesional. A LA FACULTAD Por ser la institución donde se nos formó durante todo el tiempo que permanecimos en sus instalaciones. A NUESTRO DIRECTOR DE TESINA: ING. RAMÓN CHAZARO APARICIO Por su valioso apoyo y dedicación en esta tesina. Por sus recomendaciones alentadoras. Gracias. A EL ING.: JUSTINO BAUTISTA ESPINOZA Por el apoyo en la revisión de éste trabajo recepcional. A EL INGENIERO. CARLOS ALARCÓN ROSAS: Por el apoyo en la revisión de éste trabajo recepcional. A FAMILIARES Y AMIGOS A todos aquellos que de alguna u otra forma pasaron a formar parte en la elaboración de esta tesina. 3 ESTUDIO SOBRE PROTECCIONES CONTRA DESCARGAS ATMOSFERICAS DEDICATORIAS 4 ESTUDIO SOBRE PROTECCIONES CONTRA DESCARGAS ATMOSFERICAS A mis padres: IRMA y ANGEL Porque gracias a sus consejos y gran ayuda tanto económica como moral, he logrado cumplir satisfactoriamente uno de mis objetivos que me había trazado en la vida, por esta razón estaré eternamente agradecido. A mis hermanos: Alfonso, Angel, Sadi, Martha, Alberto, Juan, Alejandro y Bety. Con respeto y cariño, porque con la fuerza que nos une hemos podido librar los obstáculos de la vida. A mi amiga: LILIAN Por formar parte de mi vida, por su amistad, pero sobre todo por su forma de ser conmigo. Por todo esto y mucho más, ¡GRACIAS!. A mis amigos: ING. BENIGNO CLEMENTE CAMACHO SR. SAMUEL SOLIS ZACARIAS Por brindarme su apoyo y confianza incondicional, amistad como la tuya es encontrar un tesoro, GRACIAS. AUDOMAR 5 ESTUDIO SOBRE PROTECCIONES CONTRA DESCARGAS ATMOSFERICAS A MIS PADRES: Quienes han sabido guiarme por el camino de la honradez y la integridad sin ningun otro interes que el de ayudarme a salir adelante, por que han dejado de pensar en ellos por dedicarse a sus hijos y por que han sabido ser los mejores padres del mundo. A MI ESPOSA: Por regalarme su tiempo, su compresión y la paciencia en la realización de éste trabajo profesional. A MÍ BEBE: Que con la gracia divina de Jehová pronto estará con nosotros. A MIS HERMANOS: Bernardo, Ofelia, Erica y Ariadna Karina. Por quererme mucho y por ese apoyo tan grande que siempre me han brindado. Y MUY EN ESPECIAL A MI PADRINO, INGENIERO RAYMUDO CHÁVEZ MARCANO: Por ser como un segundo padre para mi, además de ser un guía, señalándome hacia donde debo ir, por todo eso y mucho más gracias. A EL SEÑOR RAUL GIBB GUERRERO: Por todo el apoyo brindado durante la elaboración de dicho trabajo. 6 ESTUDIO SOBRE PROTECCIONES CONTRA DESCARGAS ATMOSFERICAS A MIS AMIGOS Maribel Silva Vázquez Juan Kattas Nader Jorge Kattas Nader Audomar Gutiérrez Segura Marciano Antonio Reyes Bernardo Cruz García José Luis Nava Benítez Y EN GENERAL A todas aquellas personas que hicieron posible la realizacion de éste trabajo recepcional, a todos ellos mil gracias. BARTOLO 7 ESTUDIO SOBRE PROTECCIONES CONTRA DESCARGAS ATMOSFERICAS INDICE PAGINA INTRODUCCIÓN ........ 5 CAPITULO I ........ 7 1.1 JUSTIFICACIÓN ........ 8 1.2 NATURALEZA, SENTIDO Y ALCANCE DEL TRABAJO ........ 9 1.3 ENUNCIACIÓN DEL TEMA ........ 10 1.4 EXPLICACIÓN DE LA ESTRUCTURA DEL TRABAJO ........ 11 CAPITULO II ........ 12 2.1 DESARROLLO DEL TEMA ........ 13 2.2 PLANTEAMIENTO DEL TEMA DE LA INVESTIGACION ........ 14 2.3 MARCO CONTEXTUAL ........ 15 2.4 MARCO TEORICO ........ 16 2.4.1 CARACTERISTICAS DE LAS DESCARGAS ATMOSFÉRICAS ........ 16 2.4.1.1 DEFINICION Y ANÁLISIS ........ 16 2.4.1.2 TEORIAS SOBRE LAS DESCARGAS ATMOSFERICAS ........ 18 2.4.1.3 ELEMENTOS QUE INTERVIENEN EN UNA DESCARGA ........ 21 INSTALACIÓN. ........ 27 2.4.1.5 SOBREVOLTAJES POR RAYO. ........ 33 2.4.1.6 ONDAS DE FRENTE ESCARPADO. ........ 34 2.4.2 DESCARGAS ATMOSFÉRICAS ENTRE NUBES Y LINEAS ........ 36 2.4.2.1 RAYOS INDIRECTOS ........ 38 2.4.2.2 RAYOS DIRECTOS ........ 40 2.4.1.4 FACTORES QUE GOBIERNAN LA DECISIÓN DE SU AEREAS 8 ESTUDIO SOBRE PROTECCIONES CONTRA DESCARGAS ATMOSFERICAS 2.4.2.3 EFECTOS DE LAS DESCARGAS ATMOSFERICAS ........ 41 2.4.2.4 TIPOS DE SOBRETENSIONES ........ 42 2.4.2.5 PROTECCION CONTRA SOBRETENSIONES ........ 43 2.4.3 PROTECCIÓN CON CABLES O HILOS DE GUARDA ........ 44 2.4.3.1CONDICIONES FÍSICAS ........ 47 2.4.3.2 PROBLEMA SIN UTILIZAR HILO DE GUARDA ........ 48 2.4.3.3 PROBLEMA UTILIZANDO HILO DE GUARDA ........ 50 2.4.4 ESTUDIO GENERAL DE LOS PARARRAYOS ........ 54 2.4.4.1 ESTUDIO DEL PARARRAYOS ........ 54 2.4.4.1.1 NORMA 022-STPS-1999 ........ 54 2.4.4.1.2 TIPOS DE PARARRAYOS ....... 56 2.4.4.1.3 PROCESO DE FUNCIONAMIENTO DE UN PARARRAYOS ........ 59 ........ 62 TUBERÍAS Y EQUIPOS ........ 68 2.4.4.1.6 SELECCIÓN DEL PARARRAYOS ........ 71 2.4.4.1.7 INSTALACIÓN DEL PARARRAYOS ........ 71 2.4.4.2 ESTUDIO DEL APARTARRAYOS ........ 75 2.4.4.2.1 NORMA 001-SEDE-1999 ........ 75 2.4.4.2.2 PROTECCIÓN DE LA SUBESTACIÓN ........ 81 2.4.4.2.3 SELECCIÓN DEL APARTARRAYOS ........ 81 2.4.4.2.4 TENSIÓN NOMINAL DEL APARTARRAYOS ........ 82 2.4.4.2.5 ACCIÓN DEL APARTARRAYOS ........ 83 2.4.4.2.6 TIPOS DE APARTARRAYOS ........ 84 2.4.4.2.7 INSTALACIÓN DEL APARTARRAYOS ........ 91 2.4.5 COORDINACIÓN DE AISLAMIENTO ........ 94 2.4.4.1.4 MATERIALES NECESARIOS PARA LA INSTALACIÓN DE UN SISTEMA DE PARARRAYOS EN EDIFICIOS 2.4.4.1.5 CONEXIÓN A TIERRA. INTERCONEXIÓN DE METALES, 9 ESTUDIO SOBRE PROTECCIONES CONTRA DESCARGAS ATMOSFERICAS ........ 2.4.5.1 COORDINACIÓN ENTRE LÍNEAS Y ESTACIONES 98 2.4.5.2 DISEÑO DE AISLAMIENTO DE LAS LÍNEAS POR SOBRETENSIÓN DE ORIGEN ATMOSFÉRICO ........ 100 CAPITULO III ........ 101 3.1 CONCLUSIONES ........ 102 3.2 BIBLIOGRAFIA ........ 103 10 ESTUDIO SOBRE PROTECCIONES CONTRA DESCARGAS ATMOSFERICAS INTRODUCCIÓN Los sobrevoltajes ocurridos en los sistemas de energía, son producidos por una variedad de razones tales como fallas, operación de interruptores y rayos. No hay duda alguna, los sobrevoltajes más severos son los producidos por descargas atmosféricas que inciden en el sistema de energía. Es posible que los sobrevoltajes puedan ser muy altos y den lugar a fallas de aislamiento del aparato de energía con resultados destructivos. Por eso es de importancia que se diseñen los sistemas de energía de tal manera que los sobrevoltajes esperados queden debajo de la capacidad de soporte de aislamiento del aparato de energía. Muchas veces, éste requisito básico se traduce en un costo muy elevado. Por ésta razón, se busca una solución de compromiso en la que los sistemas de energía se diseñen de tal forma que se pueda hacer mínima, la posibilidad de falla destructiva del aparato de energía debida a sobrevoltajes. Para realizar éste procedimiento intervienen dos pasos: 1. El diseño apropiado del sistema de energía para controlar y llevar al mínimo los posibles sobrevoltajes. 2. La aplicación de dispositivos de protección por sobrevoltajes. En forma conjunta, a los dos pasos se les llama protección por sobrevoltaje y coordinación de aislamiento. No se ha puesto mucha importancia a la protección contra sobrevoltajes; en primer lugar, afecta la confiabilidad del sistema, la cual se traduce en problemas económicos. Casi siempre los métodos de protección por sobrevoltaje se guían como el objetivo de hacer máxima la confiabilidad del sistema con un costo razonable. En este sentido, son aceptables los sobrevoltajes transitorios que no conducen a interrupciones y son tolerables las interrupciones de corta duración. 11 ESTUDIO SOBRE PROTECCIONES CONTRA DESCARGAS ATMOSFERICAS El asunto de la calidad de la energía es importante y está transformando los métodos de protección por sobrevoltaje. Si bien es necesario la aplicación de dispositivos de protección contra sobrevoltajes, se da más y más importancia a los procedimientos de diseño para hacer mínimos los posibles sobrevoltajes y controlar las fuentes de perturbación en los sistemas de energía. El tema de protección contra rayos y sobrevoltajes es muy complejo. Su análisis requiere de una buena comprensión de muchos temas relacionados. Primero, deben entenderse bien los mecanismos por los que se genera el rayo y las características de éste tienen relación con los sistemas de energía. En segundo lugar, debe estudiarse la respuesta de los sistemas de energía a los rayos y a las otras causas de sobrevoltajes. Los métodos de análisis para estudiar los fenómenos son herramientas indispensables que proporcionan la base para la selección correcta de las opciones de diseño. Invariablemente, pueden llevarse al mínimo los sobrevoltajes, pero no pueden eliminarse. En consecuencia, los sistemas de energía tienen que protegerse contra sobrevoltajes utilizando dispositivos construidos para tal objeto ( apartarrayos y pararrayos). 12 ESTUDIO SOBRE PROTECCIONES CONTRA DESCARGAS ATMOSFERICAS CAPITULO I 13 ESTUDIO SOBRE PROTECCIONES CONTRA DESCARGAS ATMOSFERICAS 1.1 JUSTIFICACIÓN El presente trabajo se desarrolla con la finalidad de presentar información relevante para la protección de sistemas eléctricos contra descargas de origen atmosférico, la cual como es sabido, deja como consecuencias perdidas tanto económicas como humanas. La descarga atmosférica no es más que un fenómeno natural que se presenta entre las nubes y tierra, cuando la diferencia de potencial es tan grande, ésta rompe el aislante(aire) yéndose a tierra y nosotros lo podemos observar como una luz. De acuerdo a estudios realizados nosotros podemos saber ,que es un fenómeno que no podemos evitar, sin embargo, lo que si podemos hacer es proteger nuestros sistemas eléctricos contra este tipo de descargas Este estudio es para facilitar a todo aquel usuario que desee información para proteger un sistema eléctrico contra sobrevoltajes; y así, alargar la vida útil de los equipos. Es por esto, que la protección contra descargas atmosféricas es de mucha importancia en el campo eléctrico. 14 ESTUDIO SOBRE PROTECCIONES CONTRA DESCARGAS ATMOSFERICAS 1.2 NATURALEZA, SENTIDO Y ALCANCE DEL TRABAJO Hoy en día es importante cuidar los sistemas de distribución de energía contra posibles descargas eléctricas, es por ello que surge la necesidad de conocer cuales son los dispositivos más utilizados para la protección de los sistemas eléctricos contra descargas atmosféricas; ya que todo sistema eléctrico debe contar con un dispositivo de protección, por que sin él , podría haber pérdidas tanto humanas, como materiales. Debido a que la información, que proporcionan los diferentes autores acerca de la protección de sistemas eléctricos contra descargas atmosféricas es bastante extensa, se opta por investigar la correcta selección de dispositivos contra sobretensiones, para que todo aquel usuario que deseé información sobre este tema, pueda tener una idea de que dispositivos seleccionar. 15 ESTUDIO SOBRE PROTECCIONES CONTRA DESCARGAS ATMOSFERICAS 1.3 ENUNCIACIÓN DELTEMA Es bastante importante para cualquier sistema eléctrico, contar con una protección contra posibles descargas atmosféricas por lo que ésta obra nos dará una idea de cómo se presenta el fenómeno “rayo” , cual es su intensidad, su efecto y de que manera podemos proteger nuestros equipos eléctricos. En la actualidad las descargas atmosféricas pueden ser canalizadas a tierra por medio de las protecciones contra sobrevoltajes (pararrayos), por lo que estudiaremos su funcionamiento, aplicación, diseño, tipos y materiales utilizados para los pararrayos, cuyas características son: La conexión a tierra. La tensión nominal. Y la capacidad de absorción de la sobtretensión. 16 ESTUDIO SOBRE PROTECCIONES CONTRA DESCARGAS ATMOSFERICAS 1.4 EXPLICACIÓN DE LA ESTRUCTURA DEL TRABAJO Para el logro de las metas planteadas, el presente trabajo se estructura de la manera siguiente: Un primer capitulo en donde se aborda la: Justificación del trabajo. Naturaleza, Sentido y Alcance de Trabajo. Enunciación del Tema y Explicación de la estructura del trabajo. Un segundo capítulo donde se trata: Desarrollo del tema. Planteamiento del tema de investigación. Marco Contextual. Marco Teórico que contiene: 1. Características de las descargas atmosféricas 2. Descargas atmosféricas entre nubes y líneas aéreas. 3. Sistemas de protección contra descargas atmosféricas 4. Coordinación de aislamiento. Y un tercer capítulo donde se hacen: Conclusiones. Al final se anotan las referencias bibliográficas utilizadas y se proporcionan los anexos utilizados. 17 ESTUDIO SOBRE PROTECCIONES CONTRA DESCARGAS ATMOSFERICAS CAPITULO II 18 ESTUDIO SOBRE PROTECCIONES CONTRA DESCARGAS ATMOSFERICAS 2.1 DESARROLLO DEL TEMA En el año de 1752 Benjamín Franklin demostró la naturaleza eléctrica de los rayos, desarrolló la teoría de que la electricidad es un fluido que existe en la materia y su flujo se debe al exceso o defecto del mismo en ella, inventando así el pararrayos. Este dispositivo es de gran utilidad para la protección de líneas de transmisión de sistemas de energía contra descargas atmosféricas (rayos), éste actúa canalizando la energía eléctrica del rayo a tierra, protegiendo así los sistemas eléctricos. Las sobretensiones producidas por descargas atmosféricas pueden verse como rayos directos o rayos indirectos; los primeros son los que caen directamente en líneas y sistemas de energía eléctricos y los segundos son producidos cuando el rayo se produce entre nube y tierra provocando así un campo magnético. Para explicar el fenómeno de la descarga eléctrica existen algunas teorías entre las que se pueden contar como las más destacadas las siguientes: Teoría de Simpson, Teoría de Elster y Geitel, Teoría de Wilson y Teoría de los cristales de hielo. Elementos que intervienen en una descarga: El Aire, La Nube, La Tierra, El Rayo. Los parámetros de las descargas de rayos a tierra son muy importantes en el diseño de esquemas de protección contra rayos o descargas atmosféricas. Los parámetros más importantes son: Voltaje, Corriente eléctrica, Forma de onda, Frecuencia de ocurrencia. De acuerdo a la diferente organización de los elementos anteriores se conocen actualmente los siguientes tipos de pararrayos: Pararrayos de Franklin, Jaula de Faraday, Pararrayos Radioactivos. 19 ESTUDIO SOBRE PROTECCIONES CONTRA DESCARGAS ATMOSFERICAS 2.2 PLANTEAMIENTO DEL TEMA DE LA INVESTIGACIÓN Generalmente al tema de la protección contra descargas atmosféricas, no se le da mucha importancia, aun cuando sabemos que todo sistema puede estar expuesto a ello. Un equipo protegido contra sobretensiones producidas por rayos puede tener un periodo de vida mucho más largo y seguro para nuestros trabajadores; evitándonos así pérdidas humanas y económicas, ambas de vital importancia. La principal forma de proteger contra una descarga atmosférica a un sistema de energía, es utilizando un pararrayos, por lo cual debemos conocer sus características, la forma de selección, los principales parámetros utilizados, su instalación, el tipo de aislamiento que debe utilizar, etc. Razón por la cual éste trabajo tiene como meta el proporcionar información al alcance de la mano de cualquier lector interesado sobre dicho tema. 20 ESTUDIO SOBRE PROTECCIONES CONTRA DESCARGAS ATMOSFERICAS 2.3 MARCO CONTEXTUAL Siendo el marco contextual de un trabajo la descripción del sitio físico o lugar donde se realiza una investigación; y debido a que el estudio sobre protección contra descargas atmosféricas, no tiene una ubicación geográfica precisa. Las descargas atmosféricas se presentan en cualquier parte del mundo, ocasionadas por una tormenta, la cual se forma por las nubes cargadas electrostáticamente, cuando éstas cargas son tan grandes con respecto a tierra, se rompe el aislante entre ellas (aire), produciéndose un rayo; el cual comúnmente cae en las partes mas altas: sobre un edificio, la copa de un árbol, la estructura de antenas de teléfono, sobre una línea de distribución, etc., por lo anterior el presente trabajo carece de marco contextual. 21 ESTUDIO SOBRE PROTECCIONES CONTRA DESCARGAS ATMOSFERICAS 2.4 MARCO TEORICO 2.4.1 CARACTERÍSTICAS DE LAS DESCARGAS ATMOSFÉRICAS 2.4.1.1 Definición Y Análisis Se define Descarga Eléctrica Atmosférica como la transferencia de carga eléctrica positiva o negativa, entre la nube, nube-nube, nube a tierra y según investigaciones recientes entre nube y ionosfera. Se llama sistema de protección contra descargas atmosféricas, al conjunto de elementos que proporcionan el medio para que una descarga pueda incidir con seguridad sobre una construcción y sea conducida en forma inofensiva hasta tierra, de manera que no origine daños durante su recorrido. La protección contra descargas atmosféricas de una estructura, no se logra contra lo que normalmente se cree, con la instalación de una varilla y una conexión a tierra (pararrayos de Franklin), ya que la acción de este dispositivo es limitada; en vista de esto , la técnica moderna de protección ha desarrollado el uso de la barra de Franklin y establece la colocación de conductores y puntas en los sitios en los que pueden iniciarse pilotos secundarios, tales como esquinas y aristas de las azoteas (figura 1), es necesario pues, no hablar de un pararrayos, sino de la instalación de un sistema de pararrayos convenientemente estudiado para proporcionar protección a cada estructura en particular. El estudio de las descargas atmosféricas fue iniciado en forma rudimentaria por Franklin en 1740 a partir de las teorías sobre electricidad estática. 22 ESTUDIO SOBRE PROTECCIONES CONTRA DESCARGAS ATMOSFERICAS Figura 1. Sitios en donde puede iniciarse una descarga atmosférica. Experimentalmente se ha comprobado que la tierra representa un electrodo negativo y a una distancia de 100 a 150 km sobre su superficie se encuentra una capa de aire que representa el electrodo positivo. Cuando las corrientes de aire entre la tierra y esta capa producen una ionización alta, se establece una descarga de iones (átomo que pierde o gana electrones), que si su valor es elevado puede generar una descarga eléctrica. Para explicar el fenómeno de la descarga eléctrica, existen algunas teorías, como ya se mencionó, entre las que se pueden contar como las más destacadas, las siguientes. Teoría de Simpson. Teoría de Elster y Geitel. Teoría de Wilson. Teoría de los cristales de hielo. 23 ESTUDIO SOBRE PROTECCIONES CONTRA DESCARGAS ATMOSFERICAS 2.4.1.2 Teorías Sobre Las Descargas Atmosféricas A) Teoría de Simpson. Manifiesta que las cargas eléctricas en las nubes se debe a corrientes de aire que se encuentran en actividad en su interior. Las corrientes ascendentes de aire transportan vapor húmedo del mar o de la superficie de la tierra, este vapor al encontrarse a determinada altura y bajo condiciones atmosféricas propicias se condensa transformándose en gotas de agua. Cuando las gotas de agua adquieren una dimensión y peso considerable caen sobre la superficie de la tierra por gravedad en forma de lluvia. En su caída se encuentran con corrientes de aire ascendentes que provocan rompimiento de las gotas formándose otras más pequeñas, estas gotas por un proceso semejante al anterior encuentran corrientes ascendentes volviéndose a fraccionar en tamaños menores, formándose de esta manera las cargas eléctricas de las nubes que se originan precisamente al ocurrir rompimiento de las gotas de lluvia desprendiéndose iones negativos que se dispersan en la atmósfera y al mismo tiempo son transportados por las corrientes de aire hacia la parte superior de la tormenta o sea a la parte inferior de la nube y en tanto la parte superior de la nube se carga en forma inductiva. Las nuevas gotas establecidas quedan cargadas positivamente continuando su descenso hacia la parte inferior de la tormenta, en este caso, la tierra. B) Teoría de Elster y Geitel Esta teoría se fundamenta sobre estudios realizados sobre una gota grande de lluvia a través del campo eléctrico de la misma cuyo gradiente en la superficie es de 100 V/m; debido a la acción de éste campo, la gota se polariza en la parte superior por una carga negativa y en la inferior por una positiva. 24 ESTUDIO SOBRE PROTECCIONES CONTRA DESCARGAS ATMOSFERICAS La gota cargada, en su caída se encuentra con corrientes ascendentes de aire que le producen una reducción de tamaño y la gota de tamaño reducido continua su caída hacia la tierra pudiéndose encontrar con otra gota de tamaño mayor haciendo contacto, con lo que la primera gota aumenta su carga positiva en la parte inferior y la segunda gota sufre el mismo aumento de carga pero negativa en la parte superior. Por lo tanto la nube se carga positivamente en la parte inferior. El contacto entre las gotas de diferente tamaño se repetirá frecuentemente organizándose un intercambio de signo de carga en las gotas, las nubes aumentan de esta manera su carga hasta llegar a un valor crítico que produce la descarga eléctrica C) Teoría de Wilson Wilson hizo un nuevo desarrollo científico respecto a la electrificación de las nubes, su teoría está basada en que las gotas de lluvia al caer adquieren carga producida por iones eléctricos que se encuentran presentes en las corrientes de aire ascendentes. En la atmósfera normalmente existe una gran cantidad de pequeños iones negativos y positivos que se mueven en diversas direcciones con una velocidad de 1 cm/seg. Bajo la acción de un campo eléctrico de 1 v/m. La existencia de iones en el aire se estima en el orden de 1000 positivos y 800 negativos por centímetro cúbico. La gama de iones aumenta y al mismo tiempo las nubes se cargan eléctricamente por el efecto de la ionización. Los iones negativos viajan hacia la parte inferior de la nube, cargándola negativamente y los iones positivos se dirigen hacia la tierra para cargarla positivamente. 25 ESTUDIO SOBRE PROTECCIONES CONTRA DESCARGAS ATMOSFERICAS La teoría de Wilson específica también que para estudiar el origen de las descargas eléctricas en las nubes, es necesario considerar el rompimiento de las gotas de agua en una tormenta y, por consiguiente la separación de su carga eléctrica respectiva debida a la acción de la gravedad terrestre y a las corrientes de aire ascendentes. En el proceso de la lluvia, las gotas hacen contacto con los iones eléctricos presentes en el aire dando origen a que aumente la ionización de la atmósfera que facilita la trayectoria del canal del rayo hacia tierra o hacia nube. D) Teoría de los cristales de hielo Esta teoría trata de explicar la importancia que representan los cristales de hielo comúnmente conocidos como granizos especialmente en las partes superiores de las nubes y también en las regiones antárticas; así se trata de dar algunas explicaciones a este fenómeno. Simpson y Robinson describen la formación de cargas eléctricas al chocar un granizo con otro, permitiendo así que el aire adquiera carga positiva y el hielo quede cargado negativamente. Elster y Geitel opinan que la separación de cargas eléctricas se debe a la fricción entre vapor de agua con granizos o con gotas de agua. Así se trata de explicar que en las tormentas recién formadas con un gran cúmulo de nubes y en las que no existen precipitaciones pluviales ocurran descargas eléctricas en el interior de la nube. 26 ESTUDIO SOBRE PROTECCIONES CONTRA DESCARGAS ATMOSFERICAS 2.4.1.3 Elementos que intervienen en una descarga. En el proceso de una descarga intervienen varios factores que conviene estudiar uno a uno: A) El aire. En estado seco se considera como un elemento aislante pero en la práctica se ioniza, convirtiéndose en conductor, por la acción de radiaciones de material radiactivo terrestre, radiaciones de los elementos de la misma atmósfera (caso del aire sobre masas terrestres) o radiación cósmica (aire sobre masas terrestres o marinas). De esta forma la conductividad depende de la ionización según las relaciones: =i/E ( = conductividad) siendo i la densidad de corriente y E la tensión de campo en V/m, dependiendo i según la expresión: i= n. E. K. Siendo n el número de iones / cm3 , K el coeficiente de movilidad de los iones y E la carga del ión. Luego resulta : = n. E. K Con lo que la conductividad varía fundamentalmente en función de n, valor éste de iones / cm3 , que varía sensiblemente entre diferentes puntos de la superficie terrestre. Oscila normalmente entre 300 y 1000 / cm 3 , pero sobre masas terrestres puede llegar a alcanzar valores de hasta 80, 000 iones / cm 3 . 27 ESTUDIO SOBRE PROTECCIONES CONTRA DESCARGAS ATMOSFERICAS Se han efectuado amplios estudios sobre las variaciones de campo sobre la tierra, observándose incluso relaciones entre éstas variaciones y la contaminación atmosférica. En la práctica podemos considerar que existe un campo eléctrico terrestre, con la tierra cargada en forma negativa respecto a la atmósfera superior que lo esta en forma positiva, este campo se comporta en forma distinta según los casos: En condiciones normales teniendo buen tiempo, la existencia de iones libres y de un gradiente de potencial en la atmósfera genera una corriente, pudiendo considerar el circuito equivalente de la figura 2, donde se cumple: R = Rc + Rv ≈ 1x 1021 Ω ( para columna de aire de 1cm2 de sección ). Rc = Resistencia constante debida únicamente a ionización cósmica. Rv = Resistencia variable ATMÓSFERA SUPERIOR Rc h > 30 Km Rv Tierra Figura 2. Representación de una descarga atmosférica mediante un circuito eléctrico. 28 ESTUDIO SOBRE PROTECCIONES CONTRA DESCARGAS ATMOSFERICAS En condiciones de mal tiempo, la niebla, nieve, lluvia, etc., modifican la conductividad y la densidad de corriente i varía. En caso de existir prominencias en el terreno, éstas se cargan eléctricamente y se produce el fenómeno de descarga por las puntas, incrementándose el gradiente de potencial a su alrededor y generándose un paso continuo de corriente; este fenómeno fue observado por Franklin, Dalibard, Lemonier y especialmente por Wilson. En conjunto, se establece un intercambio tierra-atmósfera que equivale a un condensador cargado a 4 x 105 voltios y con corriente de intercambio según el esquema de la figura 3, donde: R = Rc + Rv ≈ 1x 1021 Ω ( para columna de aire de 1cm2 de sección ). Rc = Resistencia constante debida únicamente a ionización cósmica. Rv = Resistencia variable ATMÓSFERA Condensador Cargado a 4 x 105 voltios Rc corriente De buen tiempo Descarga por las puntas descargas atmosféricas (rayos) nube + A B Rv TIERRA Figura 3. Representación de un intercambio de energía tierra-atmósfera mediante un circuito eléctrico. 29 ESTUDIO SOBRE PROTECCIONES CONTRA DESCARGAS ATMOSFERICAS B) La nube Normalmente nos interesa considerar las nubes de tormenta. Son nubes de desarrollo vertical con una masa de agua considerable. La formación de las descargas eléctricas en el interior de estas nubes sigue un mecanismo complejo que se explica actualmente con las diversas teorías descritas en el apartado anterior. En general se acepta la de que hay en la masa de nubes, gotas que descienden polarizadas con la parte positiva en la parte inferior, estas gotas capturan iones negativos y ceden los positivos. Congeladas las gotas de agua, el centro se conserva líquido y los iones positivos quedan en el centro. Al partirse la gota se separan los iones positivos y negativos y aunque éstos quedan en la parte inferior se forman bolsas positivas en la parte baja de las nubes, que generan la formación del rayo. C) La tierra La tierra, cargada negativamente, transfiere continuamente iones a la atmósfera, dependiendo esta transferencia de diversos factores, grados de acidez de los suelos (existencia de iones libres), humedad y conductividad en las puntas. D) El rayo El conjunto de los tres factores estudiados, el aire, la nube y la tierra, es el origen de la generación del rayo. 30 ESTUDIO SOBRE PROTECCIONES CONTRA DESCARGAS ATMOSFERICAS Existen distintos tipos posibles de descarga: entre dos nubes, en el interior de una nube o entre nube y tierra (que es el que nos interesa). El proceso de un rayo de este tipo presenta varias fases sucesivas (figuras 4 y 5): Figura 4. Fases de descarga de un rayo. Figura 5. Formación campos eléctricos de las descargas Atmosféricas. 31 ESTUDIO SOBRE PROTECCIONES CONTRA DESCARGAS ATMOSFERICAS 1.-Se establece el llamado “leader” en forma de dardo. El mecanismo inicial de encendido se establece entre una bolsa positiva y una prominencia del terreno. El diélectrico (aire) comienza a romperse y el “leader” avanza a saltos de 50 m. aproximadamente cada uno y a 1/3 de la velocidad de la luz. De esta forma se va ionizando un camino irregular en diversas direcciones hasta unos 15 o 20 m de la punta. 2.-Se dispara la corriente de retorno, mucho más brillante desde la prominencia hacia el camino ionizado y a una velocidad próxima a la de la luz. 3.-Se efectúan repetidas descargas sucesivas de 3 a 5 usualmente, aunque han llegado a contarse hasta 42. Estas descargas van en las dos direcciones (nube-tierra y tierra-nube). El conjunto del fenómeno se efectúa en un lapso corto de tiempo y para el observador normal, la sensación es de un fenómeno único. Los valores de la corriente de descarga son excepcionalmente altos (centenares de miles de amperes), pero la duración de estas corrientes es afortunadamente pequeñísima, ya que en general, la corriente de descarga sube hasta su máximo en 1 a 10 microsegundos. La trayectoria que presenta la formación de una descarga atmosférica, demuestra por que los lugares elevados son alcanzados por los rayos con más frecuencia, ya que de acuerdo con las leyes elementales de la Física, es evidente que en los lugares elevados la concentración de carga es mayor que en los lugares bajos Figura 6. 32 ESTUDIO SOBRE PROTECCIONES CONTRA DESCARGAS ATMOSFERICAS Figura 6. Formación de una descarga atmosférica. 2.4.1.4 Factores que gobiernan la decisión de su instalación La protección contra descargas atmosféricas constituye un tema de especial interés. Es del conocimiento de todos, la capacidad destructiva que posee esta manifestación atmosférica que conocemos con el nombre de rayo. Sus efectos externos han sido siempre conocidos por la humanidad, así como sus efectos directos e indirectos. 33 ESTUDIO SOBRE PROTECCIONES CONTRA DESCARGAS ATMOSFERICAS Las consecuencias de las descargas directas pueden ser graves como son: daños a personas, objetos, equipos, incendios y destrucción, interrupciones en los servicios de energía eléctrica, que puede originar grandes pérdidas económicas. De acuerdo con el código de National Fire Protection Association (Asociación Nacional de Protección Contra Incendios), los factores que gobiernan la decisión de instalar un sistema de pararrayos son los siguientes: 1. Frecuencia de las tormentas en la zona. 2. Valor y naturaleza del edificio y su contenido. 3. Riesgos a las personas que lo ocupan. 4. Exposición relativa. 5. Pérdidas indirectas. En relación con la frecuencia de tormentas eléctricas, se consideran como valores reales entre 25,000 y 40,000 descargas diarias sobre toda la superficie de la tierra. En algunos países existen estudios estadísticos que permiten conocer la cantidad de tormentas eléctricas que son de esperarse en una determinada zona. En relación con el valor que pueden representar las pérdidas materiales originadas por rayo, recientemente la “Sociedad Geográfica Nacional de Washington”, publicó lo siguiente: Se esperaban para la Unión Americana de 17,000 a 20,000 construcciones dañadas por descargas en un año, y en total, una pérdida mínima de 10,000,000 de dólares. 34 ESTUDIO SOBRE PROTECCIONES CONTRA DESCARGAS ATMOSFERICAS H. M. Towne de General Electric Co; nos proporciona datos de la variación de la probabilidad de incidencia con relación a la altura, con la cual se puede construir una gráfica (Gráfica 1) que a continuación se presenta: 12 -11 -10 -9 -8 -7 -Probabilidad 6 -5 -4 -3 -2 -1 – 0 50 100 150 180 Altura en metros Gráfica 1. Representación de la variación de la probabilidad de incidencia del rayo. Los parámetros de las descargas de rayos a tierra son muy importantes en el diseño de esquemas de protección contra rayos o descargas atmosféricas. Los parámetros más importantes son: Voltaje Corriente eléctrica Forma de onda Frecuencia de ocurrencia 35 ESTUDIO SOBRE PROTECCIONES CONTRA DESCARGAS ATMOSFERICAS El voltaje entre una nube de tormenta y la tierra, Figura 7 antes de una descarga a tierra se ha estimado de 10 MV a 1000 MV. Sin embargo, para trabajo de diseño, al ingeniero de protección le interesa el sobrevoltaje que aparece en el aparato de energía en que ocurre la incidencia. Este voltaje será igual al producto de la impedancia por la corriente de la descarga. La corriente de descarga al terreno es independiente de la impedancia de terminación. La razón es que la impedancia de terminación es mucho más baja que la resistencia del canal de descarga del rayo, la cual es del orden de unos miles de ohms. En consecuencia, una descarga a tierra se considera normalmente como una fuente ideal de corriente en el punto de incidencia. La cresta de la corriente eléctrica de la descarga puede variar sobre un amplio intervalo: desde 1 a 200 kA. Muchos investigadores han reunido datos sobre las magnitudes de la corriente de descarga a tierra. Entre éstos, ha tenido mucha aceptación el trabajo de Berger realizado en Suiza. +++++ + ++ + +++ + + +++ + + + +++ + + _ _ __ _ _ __ __ __ _ _ __ _ _ ___ __ _ _ _ Figura 7. Ilustración del desarrollo de una descarga eléctrica. 36 ESTUDIO SOBRE PROTECCIONES CONTRA DESCARGAS ATMOSFERICAS La forma de onda de la corriente de descarga de un rayo a tierra , y especialmente el tiempo de elevación de la misma, es muy importante. Una vez más, la representación estadística de los datos de los tiempos de elevación de la corriente de descarga reunidos por Berger aparece en la Gráfica 2 y 3. La frecuencia de ocurrencia es también una característica muy importante. Para poder cuantificar la actividad del rayo, se ha introducido la medida tosca del día de tormenta. 1.0 Probabilidad de sobrepasar la abscisa Probabilidad de sobrepasar la abscisa 0.8 0.6 0.4 0.2 0 20 40 60 80 100 120 140 Amplitudes de cresta de los kiloamperes de corriente de la descarga Gráfica 2. Distribución de las magnitudes de la corriente de rayo (registrada por Berger). 37 ESTUDIO SOBRE PROTECCIONES CONTRA DESCARGAS ATMOSFERICAS Probabilidad de sobrepasar la abscisa 0.1 0.8 0.6 0.4 0.2 0 1 2 3 4 5 6 Tiempo a la corriente de cresta de la descarga, μs Gráfica 3. Distribución de los tiempos de elevación de la corriente del rayo (registrada por Berger). Un día de tormenta se define como un periodo de 24 hrs, en el cual se ha oído por lo menos un trueno. Específicamente por definición, un día de tormenta no proporciona información alguna acerca de la frecuencia y la actividad total de las descargas. A manera de ejemplo, Anderson ha sugerido el siguiente: N1 = 0.12 T En donde N1 es la densidad de los relámpagos a Tierra por km 2 por año y T es el número de días de tormenta por año. 38 ESTUDIO SOBRE PROTECCIONES CONTRA DESCARGAS ATMOSFERICAS 2.4.1.5 SOBREVOLTAJES POR RAYO Los sistemas de energía eléctrica expuestos a la intemperie, están sujetos a descargas atmosféricas que originan los sobrevoltajes. Estos sobrevoltajes se generan por descargas directas sobre un aparato o sistema de energía, o por descargas indirectas a objetos cercanos, de los cuales se transfieren sobrevoltajes subsecuentes al sistema. A diferencia de los sobrevoltajes por operación de interruptores, que son proporcionales al voltaje del sistema, los sobrevoltajes por rayo, son independientes del voltaje del sistema, pero dependen de las impedancias del mismo. Por ejemplo, una descarga directa de rayo en un conductor de fase de una línea aérea de transmisión, generará un sobrevoltaje proporcional a la impedancia característica de la línea y proporcional a la magnitud de la corriente de la descarga del rayo. 39 ESTUDIO SOBRE PROTECCIONES CONTRA DESCARGAS ATMOSFERICAS 2.4.1.6. ONDAS DE FRENTE ESCARPADO Son producidas por diferentes causas, de las que más adelante se hará mención, y se caracterizan por la gran inclinación de su frente. La onda que presenta la figura 8, tiene una amplitud de cresta E y el escarpado esta comprendido en el tiempo t, en microsegundos. Las abscisas, en la escala correspondiente, representan los segundos o las longitudes. Suponiendo, que t = 6 microsegundos, teniendo en cuenta que la velocidad de la onda es de 300,000 kms/seg , le corresponderá una longitud de: l = v t =(300000)(6X10-6 ) = 1.800km= 1800mts. Por ejemplo si la amplitud E fuese de 1.7x103 kv, correspondería un gradiente de potencial de: E 1,700,000 944.44voltios/ m 1800 F R E N T E D E E L A t t en s l l en metros O N D A Figura 8. Representación de una onda de frente escarpado. 40 ESTUDIO SOBRE PROTECCIONES CONTRA DESCARGAS ATMOSFERICAS Según experiencias realizadas, una onda cuyo frente escarpado tenga una duración de 1 a 1.5 s, y en la que la cola presente una inclinación tal que conserve el valor de la semiamplitud de la cresta durante 30 a 50 s, reproduce con bastante aproximación el fenómeno a la realidad, y por ello éstas ondas, normalizadas, se utilizan en los ensayos relativos a la acción de los rayos sobre las líneas, debiendo variar únicamente, según los casos considerados el valor de la amplitud de la cresta. En América, los valores tipo de esta clase de onda son: frente 1.5 s; semiamplitud del valor de la cresta durante 40 s. El valor del rayo se mide por la amplitud máxima de la onda y viene expresada en amperios. Las amplitudes de la cresta pueden alcanzar a muchos miles de amperios, pero generalmente no suelen pasar de 100,000 amperios. 41 ESTUDIO SOBRE PROTECCIONES CONTRA DESCARGAS ATMOSFERICAS 2.4.2 DESCARGAS ATMOSFÉRICAS ENTRE NUBES Y LÍNEAS AÉREAS La formación de tormentas se origina debido a las cargas estáticas de las nubes, consideradas como cuerpos conductores. Cuando una nube cargada estáticamente a un cierto potencial se aproxima a la tierra o a otra nube, llega un momento en que la diferencia de potencial entre las dos nubes o entre la nube y la tierra, sea superior a la tensión crítica de descarga. Entonces saltará la chispa, a la que se designa con el nombre de <<rayo>>. La figura 9 muestra la fotografía de un rayo que está formado por un canal principal, y las derivaciones o efluvios que se esparcen lateralmente en la atmósfera. En consecuencia, los rayos no son más que grandes arcos entre dos cuerpos cargados electrostáticamente. Figura 9. Representación de una descarga eléctrica entre nube y tierra. 42 ESTUDIO SOBRE PROTECCIONES CONTRA DESCARGAS ATMOSFERICAS Esta teoría ha sido confirmada en principio por los ensayos realizados en Upsala por Norinder, relativos al modo de repartirse la tensión inducida por las nubes cargadas en el aire. Se encontró, para una altura de poste de 10 metros sobre el nivel del suelo, una diferencia de potencial por metro de poste, de 140 kv. Como la resistencia del camino de la descarga es muy variable, ésta debe ser fuertemente oscilante y de una frecuencia irregular. Por experiencias realizadas, Norinder llegó a la conclusión de que la frecuencia de la corriente debida al rayo, puede alcanzar hasta 10,000 hz., lo que parece comprobar que el campo eléctrico creado en el aire en el momento del rayo, varía a su vez muy rápidamente. Los dos fenómenos señalados, es decir la diferencia de potencial sobre el suelo y la variación rápida de esta diferencia en función del tiempo, concuerdan bien con la hipótesis expuesta sobre las nubes cargadas de electricidad estática Como se verá más adelante, estos fenómenos bastan para explicar las perturbaciones provocadas por las tormentas en las instalaciones eléctricas Se comenzará admitiendo que el cuerpo conductor 1 cargado de electricidad positiva (figura 10a y 10b), esté en presencia de otro cuerpo conductor 2 3 1 + - 1 2 CW + 2 3 Figura 10 a. Cargas electrostáticas en cuerpos conductores aislados de tierra. CW CW CW CW 4 CW Figura 10 b. Variación de la capilaridad Cw entre una línea aérea y una nube móvil. 43 ESTUDIO SOBRE PROTECCIONES CONTRA DESCARGAS ATMOSFERICAS De la carga de conductor 1 aparecerá sobre el conductor 2 una carga negativa y al mismo tiempo una carga libre positiva que hace que el conductor 2 adquiera un cierto potencial con respecto a la tierra, por lo que, si se une a ésta, dicha carga positiva derivará a tierra y su potencial será entonces cero; pero si este enlace entre 2 y la tierra se suprime y además desaparece la carga en 1 (por ejemplo por una puesta a tierra), la carga negativa en 2 quedará en libertad y volverá a existir una diferencia de potencial respecto a tierra. 2.4.2.1 Rayos Indirectos En la figura 11, se muestra en efecto, que la línea se encuentra a un cierto potencial con respecto a tierra, y de acuerdo a experiencias, podría decirse que aquí se producirá una sobretensión. Aquí también se observa que el potencial es máximo en el medio de la porción de la línea influenciada, y por esto es posible que en este lugar se produzca el arco a tierra comúnmente llamado rayo. Figura 11. Efecto electrostático de una nube cargada de electricidad sobre una línea. 44 ESTUDIO SOBRE PROTECCIONES CONTRA DESCARGAS ATMOSFERICAS Además para que un rayo se produzca no nada más es necesario que la descarga sea mucho muy grande sino que además esté aplicada durante un cierto tiempo. Estas dos condiciones pueden cumplirse en el caso de la puesta en libertad de las cargas inducidas, porque de una parte el potencial puede ser superior a la tensión del contorneamiento de los aisladores, y de la otra es posible que subsista durante algún tiempo, al menos en el medio de la porción de línea considerada. Cuando una descarga por contorneamiento se produce en un aislador, el potencial cae bruscamente a cero, cuyo resultado es la formación de dos sistemas de onda de descarga que se propagan, una hacia la derecha y otra hacia la izquierda, lo cual se podrá observar en la figura 12. Por otra parte , las variaciones de potencial se producen bruscamente, las ondas móviles de descarga avanzarán con un frente muy escarpado. Su amplitud será, desde luego, igual a la tensión de contorneamiento del aislador, referido entonces a un gradiente de potencial de corta duración. Hay que observar que la tensión de descarga es diferente según que el gradiente esté aplicado momentáneamente o de un modo permanente, a causa del efecto retardado que se manifiesta en el primer caso. b a Figura 12. Descarga a tierra de la onda inducida en una línea, creada por la influencia de una nube. 45 ESTUDIO SOBRE PROTECCIONES CONTRA DESCARGAS ATMOSFERICAS 2.4.2.2 Rayos Directos Éstos no se dan muy frecuentemente, pero su efecto es muy alto en cuanto a daño se refiere, comparados con los rayos de incidencia indirecta, debido a que inciden directamente sobre la línea con valores de unos cientos de kilovoltios (valor de cresta). El resultado de la incidencia del rayo sobre la líneas se traduce en una onda de frente muy escarpado y cuya cola tiene una inclinación que depende de las condiciones en que se desarrolla el fenómeno. De acuerdo a experiencias realizadas una onda cuyo frente escarpado tenga una duración de 1 a 1.5 microsegundos, y en la que la cola presente una inclinación tal que conserve el valor de la semiamplitud de la cresta durante 30 a 50 microsegundos, se produce con bastante aproximación al fenómeno en la realidad, y por ello estas ondas normalizadas, se utilizan en los ensayos relativos a la acción de los rayos sobre las líneas, debiendo variar únicamente, según los casos considerados, el valor de la amplitud de la cresta . El tamaño del rayo se mide por la amplitud máxima de la onda y se expresa en amperios o en kv, su amplitud de la cresta puede alcanzar a muchos miles de amperios pero generalmente no sobrepasan de 100,000. De acuerdo a estudios realizados y estadísticas proporcionadas, el 7% de los rayos es superior a 40,000 amperios 46 ESTUDIO SOBRE PROTECCIONES CONTRA DESCARGAS ATMOSFERICAS 2.4.2.3 Efectos de las descargas atmosféricas. Los fenómenos de sobrevoltaje en instalaciones eléctricas, abordaremos los originados por fenómenos externos como son las cargas atmosféricas. Este tipo de situación, ocasiona salidas frecuentes en las instalaciones que provocan interrupciones en el servicio, por lo que es importante el conocimiento de los efectos de las descargas atmosféricas, a fin de proporcionar la protección mas adecuada a la instalación. Basta con que se tengan nubes sobre la línea de transmisión para que se presente la posibilidad de un sobrevoltaje. Las nubes en un medio seco, con viento y con una velocidad aproximada de 40 Km. / hr. originan sobrevoltajes en la instalación. Por lo general una descarga sobre una línea de transmisión provoca una onda de sobrevoltajes inicial que se divide en dos ondas viajeras que van hacia la izquierda y hacia la derecha del punto que se produce la descarga con una velocidad igual a la de la luz en el caso de conductores aéreos. Como se ha visto en cualquiera de los tipos de acción externa se produce sobrevoltajes que son mayores o menores dependiendo de sí la descarga es directa o indirecta, este tipo de sobrevoltajes somete a los aislamientos de la instalación y en particular a los de las maquinas a esfuerzos dieléctricos que pueden superar a los niveles básicos de aislamiento; para cada elemento en que intervienen aislamientos sé propician los perforamientos dieléctricos que traen consigo otro tipo de fallas. Otros efectos que ocasionan las descargas atmosféricas sobre las instalaciones son las siguientes: 47 ESTUDIO SOBRE PROTECCIONES CONTRA DESCARGAS ATMOSFERICAS I) La corriente del rayo alcanza valores instantáneos extremadamente altos que se someten a los elementos de la instalación a esfuerzos dinámicos y térmicos y que requieren para su disminución de un diseño adecuado de la red de tierras. II) Los esfuerzos dinámicos debidos a la corriente del rayo someten a conductores (barras) a fuerzas de atracción y repulsión que pueden llegar a romper los aisladores soporte o deformar los tableros. III) La corriente del rayo trae consigo una gran cantidad de energía calorífica teniéndose temperaturas hasta de 8350 grados centígrados que pueden provocar la falla de aislamientos de los pararrayos llegando a destruirse por explosión al no poder descargar la energía recibida. 2.4.2.4 Tipos De Sobretensiones. Las sobretensiones se clasifican en dos tipos que son: Sobretensiones de origen interno. Sobretensiones de origen externo. Las sobretensiones de origen interno se deben principalmente a la operación de dispositivos de desconexión (2 a 3 ciclos ) (dos veces la tensión de operación). Las sobretensiones de origen externo se deben al contacto directo o indirecto ocasionado por descargas atmosféricas, las cuales son de menor duración, pero las más severas; para proteger los cables y equipos contra descargas atmosféricas se deben instalar pararrayos. 48 ESTUDIO SOBRE PROTECCIONES CONTRA DESCARGAS ATMOSFERICAS 2.4.2.5 Protección contra sobretensiones Estas se pueden dividir en tres grupos, los cuales son los siguientes: La protección que previene la ocurrencia de una onda o reduce su magnitud (hilos de guarda). La protección con dispositivos que desvían la onda de línea a tierra (cuernos de arqueo). La protección con dispositivos que modifican la forma de onda de sobretensión y/o absorben parte de su energía (pararrayos) 49 ESTUDIO SOBRE PROTECCIONES CONTRA DESCARGAS ATMOSFERICAS 2.4.3 Protección con Cables o Hilos de Guarda En las líneas de transmisión que tienen una alta incidencia de descargas atmosféricas, es importante prevenirlas contra éstas, mediante el blindaje con hilos de guarda, que tienen como objetivo principal interceptar la descarga por rayo y conducirlas a tierra. Cuando se presenta una sobretensión, los cuernos de arqueo provocan una ruptura dieléctrica del aire circulante a ellos, en ese preciso momento el dispositivo actúa, llevando la sobretensión a tierra, para lo cual se requiere que la separación y alineamiento entre ellos esté bien calibrada. En un trasformador los cuernos de arqueo se encuentran colocados en las boquillas de los trasformadores en el lado de la más alta tensión, y actualmente su uso ha desminuido debido a que aumentó la popularidad del pararrayos. En los cuernos de arqueo, cuando su nivel isoceráunico (nivel de descargas en un área) es por debajo de 15, es más recomendable usar éstos ya que son económicos, comparado con el pararrayos. El nivel de protección de un sistema eléctrico de potencia contra las descargas atmosféricas cuando se establecen hilos de guarda cobra gran interés para el servicio que preste. Estos cables pueden ser de acero, o pueden ser hilos de acero con película de cobre (COPPERWELD) o hilos de acero con película de aluminio ( ALUMOWELD). Unos y otros, se conectan a las puntas más altas de las torres de las líneas de transmisión o subtransmisión, sobre los conductores activos o fases de la línea, es decir con hilos soportados paralelamente a los conductores de la línea, con una colocación a un nivel superior, que sirve como pantalla protectora impidiendo que los rayos caigan directamente sobre los conductores activos. Además en la parte alta de las torres se conecta a los hilos de guarda, un cable conectado a tierra, que sirve para derivar a tierra las ondas de sobretensión producidas por la descarga y que viajan por los hilos de protección. 50 ESTUDIO SOBRE PROTECCIONES CONTRA DESCARGAS ATMOSFERICAS La protección de las líneas de transmisión persigue dos objetivos: 1. Evitar que la descarga alcance conductores. 2. Permite la descarga del rayo en la línea. El primer método usa conductores conectados a tierra (cables de tierra) suspendidos por encima de las líneas de transmisión, mientras que en el segundo emplea dispositivos tales como tubos de protección, compensadores de defectos a tierra (bobinas Petersen), o interruptores de reconexión automática. Desde hace mucho tiempo, para la protección de líneas contra los rayos directos, se vienen utilizando cables de acero, o hilos de acero cubiertos con una película de cobre o de aluminio, colocados por arriba de los conductores en la punta de la torre, que actúan como pantalla y que se ponen a tierra en cada una de las estructuras de la línea. En esta forma el impacto del rayo es recibido por el cable o los cables de tierra y solamente un porcentaje muy reducido podría alcanzar a algún conductor. Según el reglamento vigente, la altura a que debe colocarse el cable de tierra se fijará teniendo en cuenta que el ángulo protector, es decir, el formado por la vertical con la recta que une al cable de tierra y el conductor exterior debe ser igual ó menor de 30°. Es necesario además, que la distancia entre el cable de tierra y el conductor sea por lo menos igual a la separación que resulte entre conductores según las características de la línea e impuesta por el reglamento. La rigidez dieléctrica juega un papel importante en los aisladores de la línea, según el tipo de los elementos y número de éstos que constituyen la cadena. A este respecto es necesario consignar que las ondas de choque producen el contorneamiento de los aisladores no solamente por la amplitud de la cresta de tensión; la tensión de contorneamiento puede ser superada cuando está aplicada en tiempo corto. A continuación se presenta una torre utilizando hilos de guarda para su protección (figura 13). 51 ESTUDIO SOBRE PROTECCIONES CONTRA DESCARGAS ATMOSFERICAS Hilos de guarda Conductores de fase Conductores de fase Figura 13. Representación física de los hilos de guarda y su conexión a tierra. 52 ESTUDIO SOBRE PROTECCIONES CONTRA DESCARGAS ATMOSFERICAS La función encomendada al cable de tierra es interceptar el rayo y conducir su corriente al suelo sin que alcancen en la torre ni en el vano potenciales suficientes para cebar el arco entre el hilo de tierra o la torre y los conductores. Para obtener este resultado, es necesario que, en la parte central del vano, la separación entre el cable de tierra y los conductores sea suficiente para que la descarga del rayo no pueda dar origen a una tensión superior a la de arco antes de dar tiempo a que las ondas reflejadas en las torres más próximas lleguen de nuevo al punto de partida y disminuyan el valor de la tensión existente. Las torres deben estar suficientemente aisladas de los conductores de transmisión, para que las tensiones que aparezcan como resultado de la caída de resistencia en su base no puedan ser causa de arco alguno. Por tanto, para un rayo de intensidad dada, cuanto más alta sea la resistencia en el pie de la torre, más aislamiento se requiere entre torre y línea. 2.4.3.1 Condiciones físicas. Los cables de tierra deben colocarse encima de los conductores de línea, en forma de que el rayo descargue sobre aquellos antes de poder alcanzar a éstos. Desde el punto de vista del rayo los conductores de tierra pueden ser de cualquier material, tales como acero, cobre, aluminio o acero cobreado. La sección del conductor viene, en general, definida por consideraciones mecánicas, pero si su sección es insuficiente, la corriente del rayo puede dañarlo seriamente. Según los datos obtenidos de acuerdo con investigaciones ya realizadas, el conductor mas grueso fundido por la corriente del rayo fue uno del numero 4, ósea de 21 mm 2, de cobre macizo. Probablemente, en la mayoría de los casos baste un conductor de tierra de diámetro no inferior al número 1/0 ( 53 mm 2 ). Una protección de éste tipo, debe tenerse presente que la separación de tierra y los conductores de línea debe ser mayor en el centro del vano que en los apoyos. 53 ESTUDIO SOBRE PROTECCIONES CONTRA DESCARGAS ATMOSFERICAS 2.4.3.2 Problema sin utilizar Hilo de Guarda A continuación presentaremos la diferencia que existe en la utilización o no del hilo de guarda en dos ejemplos que muestran la importancia del mismo: Ejemplo1. Estimar el índice de flameo de una línea de 220 KV que se opera sin hilo de guarda. Los datos de la línea son: Longitud del claro: 366 M (1200 pies). Aisladores: de cadena con 15 discos de 254 x 127 (10x5 pulg. ). Nivel isoceraunico: 27 Altura de los conductores superiores 25.3 M. Conductores de ACSR con una flecha de 9.15 M. Impedancia característica: 480 Ohms. Solución: Δh = 25.3 m 5.2 m 5.2 m 9.46 m 54 ESTUDIO SOBRE PROTECCIONES CONTRA DESCARGAS ATMOSFERICAS La altura promedio de los conductores superiores considerando la flecha es: h promedio = 25.3 - 2 (9.15) 3 19.2 M El número de descargas por año en una línea ( F1) es: F1 = 62 DT 30 descargas al año. 100Km O bien considerando la altura promedio de los conductores (al no existir hilo de guarda) y estar las torres con una altura promedio entre 25 y 30 M. F1 = 2.7h descargas al año. 100Km DT 30 F1 = 2.7 19.2 27 30 47 En curvas para una cadena de 15 discos la tensión crítica de flameo (VCF) es 1200 KV. La tensión de flameo del aislamiento de fase a fase, es decir a 5.2 M, de entre hierro para las dos cadenas de aisladores en serie es mucho mayor que 1200 KV y en este caso I1 es menor que I2 , por lo que: I1 = 2 VCF 1200 =2 x 103 =5000 A ZO 480 I1 = = 5 KA 55 ESTUDIO SOBRE PROTECCIONES CONTRA DESCARGAS ATMOSFERICAS Considerando que la proporción de descargas que producirán flameo es p1 = 0.9, la frecuencia de descargas en la línea por año, dará un índice de flameo: FA = F1 p1 = 47 0.9 42 flameos al año 100Km 2.4.3.3 Problema utilizando Hilo de Guarda Ejemplo 2. Para el problema anterior no se utilizó el hilo de guarda, utilizando los mismos datos para una línea de 220 KV, estimar el índice de flameo para línea con hilo de guarda. 5.2 m θs 5.2 m 5.2 m 9.46 m 56 ESTUDIO SOBRE PROTECCIONES CONTRA DESCARGAS ATMOSFERICAS Θs = Arc tan 4.73 = 42.3 5.2 La probabilidad P Θ de fallas por acorazado en por ciento es entonces: De donde : Log P Θ = s h - 2.0 90 Log P Θ = 42.3 30.5 - 2.0 90 h = altura del hilo de guarda P Θ = 3.94 % Para torres con altura del orden de 30 M en promedio, el número de descargas por año en una línea es: F1 = 2.7 (Δh) DT 27 = 2.7 (25.3) 30 30 F1 = 61.479 El índice de flameo con acorazado es entonces: TF = F1 PΘ x 10-2 TF = (61.479) (3.94) x 10-2 TF = 2.422 flameos al año. 100Km 57 ESTUDIO SOBRE PROTECCIONES CONTRA DESCARGAS ATMOSFERICAS De este valor solo una parte se debe a la corriente de descarga, pero de suficiente magnitud para producir flameo en el aislamiento en la línea. La tensión crítica de flameo para una cadena con 15 aisladores de 254 x 146 mm (10 x 5 3 pulg.) es 1200 KV, si la impedancia característica de la línea 4 es Zo = 480 Ohms, la corriente del rayo es: I1 = 2 VCF 1200 x 103 = 2 x 103 = 5000 A Zo 480 I1 = 5 KA La probabilidad p1 de que se excede este valor en la corriente, se obtiene de : Log p1 = 2.0 - Log p1 = 2.0 - I 60 I I1 = Corriente del rayo en KA 5 = 1.9166 60 p1 = 82.54 % Y entonces el índice de flameo en línea acorazada es: TF = F1 p1 PΘ x 10 4 TF = 61.479 82.54 3.94 x10 4 TF = 1.99 flameos al año. 100Km 58 ESTUDIO SOBRE PROTECCIONES CONTRA DESCARGAS ATMOSFERICAS Por lo anterior podemos concluir que la utilización del hilo de guarda en los sistemas de distribución que no utilizan éste dispositivo tienen 42 flameos/100 km al año , por otro lado, utilizando el hilo de guarda en nuestros sistemas tienen 1.99 flameos/100 km al año ; en base a lo anterior observamos que hay una diferencia muy elevada de 40.01 flameos/100 km al año; este estudio nos da una idea mas clara para una toma de decisión a la hora de utilizar o no el hilo de guarda, quedando a criterio de cada uno este sistema de protección. 59 ESTUDIO SOBRE PROTECCIONES CONTRA DESCARGAS ATMOSFERICAS 2.4.4 ESTUDIO GENERAL DE LOS PARARRAYOS Anteriormente se conocía únicamente como pararrayos a los sistemas de protección contra descargas atmosféricas; pero en la actualidad en México, se utilizan también los apartarrayos, por lo cual se hará un estudio sobre estos dos tipos de sistemas de protección contra descargas atmosféricas, que son: 1. PARARRAYOS 2. APARTARRAYOS 2.4.4.1 Estudio del Pararrayos 2.4.4.1.1 NORMA 022-STPS-1999 Pararrayos: es un dispositivo para recibir, colectar o desviar las descargas eléctricas atmosféricas a tierra. Selección de pararrayos Queda prohibido utilizar pararrayos que funcionen a base de materiales radiactivos. Los factores que se deben considerar para la determinación de la obligación de instalar pararrayos y, en su caso, el tipo de pararrayos a utilizar para drenar a tierra la descarga eléctrica atmosférica, son: a) el nivel isoceráunico de la región; b) las características fisicoquímicas de las sustancias inflamables o explosivas que se almacenen, manejen o transporten en el centro de trabajo; c) la altura del edificio en relación con las elevaciones adyacentes; d) las características y resistividad del terreno; e) las zonas del centro de trabajo donde se encuentren sustancias químicas, inflamables o explosivas; f) el ángulo de protección del pararrayos; 60 ESTUDIO SOBRE PROTECCIONES CONTRA DESCARGAS ATMOSFERICAS g) la altura de instalación del pararrayos y el sistema para drenar a tierra las corrientes generadas por la descarga eléctrica atmosférica. Pararrayos es el dispositivo más usado para la protección contra descargas atmosféricas y son utilizados en los edificios, transformadores y equipo eléctrico; colocados en la parte mas alta, para poder recibir la descarga atmosférica y drenarla a tierra; comúnmente son conocidos como puntas pararrayos y es el elemento primario para la coordinación de aislamiento, en base a las siguientes funciones: Opera con sobretensiones en el sistema permitiendo el paso de las corrientes del rayo y sin sufrir daño. Reduce las sobretensiones peligrosas a valores que no dañen el aislamiento del equipo. Las características principales para la selección correcta de un pararrayos en un sistema de distribución son las siguientes: 1. La tensión nominal 2. La corriente de descarga Estas se pueden calcular por promedio de la fórmala siguiente vn=ke.vf--f Donde: Vn = tensión nominal de pararrayos en kv Ke = factor de corrección a tierra Vf-f = tensión de línea a línea El factor ke se refiere a la forma en que se encuentra conectado a tierra de la instalación eléctrica al sistema, considerando que una falla de línea a tierra es lo que produce una sobretensión en las fases no falladas. 61 ESTUDIO SOBRE PROTECCIONES CONTRA DESCARGAS ATMOSFERICAS 2.4.4.1.2 Tipos De Pararrayos Antes de comenzar la descripción de los diferentes tipos de pararrayos, mencionaremos los 3 elementos fundamentales por los cuales está integrado un sistema de pararrayos para un edificio ( ver figura 14). Figura 14. Elementos fundamentales de un pararrayos. 1. Un elemento receptor de la descarga que los constituyen las puntas de protección y los cables colocados estratégicamente en las partes de la estructura que pueden recibir una descarga ( “A” figura 13). 62 ESTUDIO SOBRE PROTECCIONES CONTRA DESCARGAS ATMOSFERICAS 2. Circuito a tierra, formado por los conductores que tienen como misión transportar a tierra la corriente de la descarga, según el recorrido perfectamente determinado y de baja resistencia eléctrica, pasando normalmente por la parte exterior del edificio. La realización práctica de estos elementos debe de efectuarse teniendo en cuenta que por ser la corriente del rayo a impulsos, adquiere una importancia notable la reactancia del circuito, cuya influencia puede originar grandes caídas de tensión en el circuito ( “B” , Figura 14). 3. Electrodos a tierra llamados también dispersores de tierra los que proveen de un contacto íntimo del sistema con el terreno, facilitando la dispersión de la corriente, en el terreno propiamente dicho (“C”, Figura 14). Existen en la actualidad para el cálculo y diseño de estos electrodos a tierra, así como procedimientos de medición de la resistencia, lograda. Se ha desarrollado también alguno productos que pueden usarse como aditivos en los electrodos y de esta manera lograr abatir la resistencia a tierra. De acuerdo a la diferente organización de los elementos anteriores se conocen actualmente los siguientes tipos de pararrayos: Pararrayos de Franklin .- Descubierto por Benjamín Franklin en el año de 1750, consta de una punta y de una conexión a tierra, su interés actualmente es solo histórico, ya que se han comprobado las limitaciones de superficie protegida que provee, otro efecto estriba en el hecho de cada vez que es alcanzado directamente por un rayo, la descarga se recibe en un solo lugar, lo cual origina que la punta de la barra falle debido a la intensa corriente que transporta. Pararrayos tipo de Jaula de Faraday.- La jaula de Faraday se basa en el experimento del físico del mismo nombre, según el cual disponiendo una envoltura metálica cerrada y conectada a tierra, cualquier fenómeno eléctrico, por intenso que sea no causa ningún efecto en el interior de la envoltura, o sea, que la envoltura mencionada sirve como “pantalla “ ó blindaje del interior. 63 ESTUDIO SOBRE PROTECCIONES CONTRA DESCARGAS ATMOSFERICAS Actualmente este tipo de sistemas se construyen de una red o malla de conductores que se coloca en la parte superior de la estructura que se protege, con suficientes conexiones a tierra para lograr en dicha malla una distribución uniforme del potencia de la tierra. La protección de las superficies intermedias entre los cables que forman la red, se logra mediante pequeñas puntas ionizadoras de la atmósfera que originan concentraciones de carga en ellas, las que en condiciones de tormenta proveen múltiples “pilotos secundarios”, lo que además proporciona muchas vías de entrada a la descarga principal, cada una de ellas con una intensidad de corriente menor. Este sistema es el que ha tenido hasta la fecha un desarrollo mayor, ya que desde 1904 se dispone de reglamentos oficiales de institutos y organismo especializados, los cuales recopilan normas de diseño experimentadas ampliamente y revisadas periódicamente, lo cual proporciona una garantía de su funcionamiento. Pararrayos Radioactivos.- A principios del siglo pasado comenzaron las investigaciones sobre el pararrayos radioactivo, partiendo de la colocación de sales radioactivas en una punta con lo que se ioniza el aire circundante y se favorece una descarga paulatina sin que llegue a caer el rayo. Ese sistema que desarrollaron los Capart (Padre e Hijo) de 1931 a 1953, tuvo una gran difusión posterior a causa de la elevada superficie protegida (semiesfera de radio variable según la carga radioactiva y cilindro tangente a la misma hasta el suelo). En todas formas, pese a que la emisión radioactiva es muy limitada y no se consideraba nociva, actualmente en ciertos países se genera una especial resistencia al empleo de estos dispositivos, su uso no está reglamentado en nuestro país. Hilos de guarda.- el primer método usa conductores conectados a tierra (hilos de guarda), suspendidos por encima de las líneas de transmisión. La función encomendada al hilo de guarda es interceptar el el rayos y conducir la corriente al suelo sin que alcancen en la torre ni en el vano potenciales suficientes para cebar el arco entre el hilo de guarda o la torre central y los conductores 64 ESTUDIO SOBRE PROTECCIONES CONTRA DESCARGAS ATMOSFERICAS 2.4.4.1.3 Proceso de Funcionamiento de un Pararrayo de toda instalación de protección contr en primer lugar se debe realizar un est que determinará el nivel de protección, emplazamiento del PDC, el trazado de la ubicación y tipo de la toma de tierra partes fundamentales del estudio previ cálculo del riesgo de impacto directo. C alto sea el riesgo, mayores serán las m protección requeridas (para un riesgo m NIVEL DE III, para un riesgo normal). Para la máxima seguridad, la norma UN APLICACIONES El anexo B de las normas UNE 21 186 y NF C 17-10 GUÍA PARA LA EVALUACIÓN DEL RIESGO DE IMPAC SELECCIÓN DEL NIVEL DE PROTECCIÓN Figura 15. Pararrayos electropropulsante Dat Controler. 65 ESTUDIO SOBRE PROTECCIONES CONTRA DESCARGAS ATMOSFERICAS Figura 16. Representación del funcionamiento de un pararrayos electropropulsante Dat Controler. nexo B de las normas UNE 21 186 y NF C 17-102 constituye ARA LA EVALUACIÓ Las figuras 15 y 16 muestran al pararrayos y su estudio respectivamente; la formación de un rayo va precedida de una elevación del campo eléctrico ambiental por encima de los 10kv/m. Esta energía natural es acumulada por el dispositivo de cebado del pararrayos electropulsante DAT CONTROLER que de esta forma queda en situación de precontrol. A medida que se acerca la descarga, se produce un intenso y brusco incremento del campo eléctrico, originándose una zona de riesgo de impacto. Si esta zona de riesgo tiene lugar en la zona de protección del pararrayos, la brusca variación del campo eléctrico acciona simultáneamente el sistema de protección DAT CONTROLER que, en sincronía con la aproximación del rayo, proporciona una vía de descarga a tierra controlada y segura. 66 ESTUDIO SOBRE PROTECCIONES CONTRA DESCARGAS ATMOSFERICAS Características: Pararrayos electropulsante DAT CONTROLER caracterizado por: 1. Cumple Normas UNE 21 186* y NF C 17-102. 2. Tiempos de avance en el cebado específicos de cada modelo. 3. Radios de protección certificados para cada modelo y nivel. 4. Funcionamiento efectivo en condiciones de lluvia. Aislamiento superior al 95%. 5. Funcionamiento efectivo tras soportar corrientes de rayo repetitivas. Efectividad Pruebas de funcionamiento y efectividad: LCOE Laboratorio Central Oficial de Electrotecnia- Ministerio de Industria y Energía (Madrid). SEDIVE Laboratorio de Alta Tensión de Bazet (Francia). Facultad de Física de la Universidad de Valencia. Instituto de Tecnología Eléctrica. Universidad Politécnica de Valencia. AIMNE Instituto Tecnológico Metal Mecánico (Valencia). EDF Eléctrica de Francia. Laboratorio de Les Renardieres (Francia). BET Laboratorio de Alta Tensión de Blitzschutz & EMV (Alemania). 67 ESTUDIO SOBRE PROTECCIONES CONTRA DESCARGAS ATMOSFERICAS 2.4.4.1.4 Materiales necesarios para la instalación de un sistema de pararrayos en edificios. Los materiales necesarios para la instalación de un sistema son los siguientes: A) Puntas Las puntas pueden ser de cobre cromado, con una altura mínima de 25 cm., quedando más altas del contorno que protegen, tendrán sus bases adecuadas a la superficie donde se coloquen e irán fuertemente fijadas a la misma (ver la figura 17). B) Conductores Estos pueden ser de dos tipos, pudiendo ser: I.- Cable de cobre desnudo de 11.9 mm. de diámetro, para edificios con altura menor o igual a 23 m, (ver figura 18). II.- Cable de cobre desnudo de 13mm. de diámetro, para edificios con altura mayor de 23m. (ver la figura 19). En cualquiera de los casos, se colocará el conductor de manera a proveer un doble paso a tierra desde cada punta. C) Conductores de baja Cualquier tipo de estructura, salvo asta-banderas, mástiles o estructuras similares, debe tener por lo menos dos conductores de bajada. Su colocación estará tan separada como sea posible, preferentemente en diagonal, en esquinas opuestas en estructuras cuadradas o rectangulares y diametralmente opuestas en estructuras cilíndricas. 68 ESTUDIO SOBRE PROTECCIONES CONTRA DESCARGAS ATMOSFERICAS Cuando una estructura tenga un perímetro que exceda de 75 m., debe tener una bajada adicional por cada 30 metros de perímetro. Para el cálculo del perímetro se deben considerar las dimensiones exteriores al nivel del terreno, excluyendo cobertizos, marquesinas y salientes que no requieran de protección. El número total de conductores de bajada en estructuras con azoteas planas o ligeramente inclinadas y en las de forma irregular se calcularán de tal manera que la distancia promedio entre ellos no sea mayor de 30 m. D) Fijaciones. Los elementos que se utilizan para fijar los cables son las abrazaderas y serán del mismo metal que estos, deberán quedar lo suficientemente fuertes para sujetar a los conductores. Se instalaran a una distancia de 90 cm. unas de otras (ver figuras 17,18 y 20). 69 ESTUDIO SOBRE PROTECCIONES CONTRA DESCARGAS ATMOSFERICAS Abrazadera para cable. Conector de tuberías. Base de pretil para punta. Desconectador de tierra. Conector de tuberías. Conector “T” mecánico. Figura 17. Conectores para fijaciones de puntas pararrayos. 70 ESTUDIO SOBRE PROTECCIONES CONTRA DESCARGAS ATMOSFERICAS Cable de cobre de 24 hilos de 1.7 mm de diámetro. Boquilla niveladora para punta. Conector de tuberías. Punta triple galvanizada maciza de cobre. Conector de contacto. Conector “Pasa Losa”. Figura 18. Materiales utilizados para la instalación del pararrayos. 71 ESTUDIO SOBRE PROTECCIONES CONTRA DESCARGAS ATMOSFERICAS Varilla Coperweld para tierra. Conector “T”. Ajusrtador para cable y bases. Rehilete para tierra. Abrazaderas para tierra. Conector cruz. Figura 19. Tipos de materiales para la fijación e instalación del pararrayos. 72 ESTUDIO SOBRE PROTECCIONES CONTRA DESCARGAS ATMOSFERICAS Punta maciza de cobre, cromada de 25 o 32 cm. Cable de cobre de 28 o 32 hilos. Nivelador para puntas. Abrazadera para cable. Base plana para punta. Figura 20. Representación esquemática de la fijación del pararrayos. 73 ESTUDIO SOBRE PROTECCIONES CONTRA DESCARGAS ATMOSFERICAS 2.4.4.1.5 Conexión a Tierra. Interconexión de Metales, Tuberías y Equipos Todos los objetos metálicos de ciertas dimensiones, no conectados a tierra, que se encuentran dentro de 1.80 m. Del sistema, o de metales conectados al mismo, deberán ir ligados a estas instalaciones por medio de abrazaderas y conectores especiales (ver la figura 21). Ducto de extrucción de aire. Conector zapata para aterrizar elementos metálicos. Cable de cobre de 28 o 32 hilos. Conector “T”. Figura 21. Instalación del pararrayos por medio de abrazaderas y conectores especiales 74 ESTUDIO SOBRE PROTECCIONES CONTRA DESCARGAS ATMOSFERICAS Las conexiones a tierra se harán por medio de bayonetas y/o rehiletes, para conseguir, en condiciones normales, un valor de la resistencia a tierra dentro de las normas referidas. En caso de que las condiciones del terreno originen valores superiores a los recomendados (máximo 25 ) , serán necesarios trabajos adicionales para mejorar las condiciones del terreno. Es importante, también, considerar lo siguiente: A) Ubicación Las conexiones a tierra se harán en aquellos lugares donde se logre una fácil dispersión de la descarga en el terreno, preferentemente fuera de la cimentación y en un área de jardines. B) Medio de conexión Varilla cobre-acero de 3.05 m. de longitud y 13 mm. de diámetro (véase la figura 22). Rehilete instalado de 1.5 a 2 m. de profundidad. Cable de cobre de 3.6 m. de longitud, enterrado entre 30 y 60 cm. de profundidad. Varilla de cobre-acero, en registro de mampostería (en el caso de suelos rocosos) con dimensiones de 80*80*80 cm., conteniendo capas alternadas de 10 cm. de carbón de piedra en polvo, cloruro de sodio en grano, cloruro de calcio y sulfato de cobre o sulfato de magnesio. C) Tierras comunes Se deberán realizar las interconexiones necesarias entre las tierras del sistema de pararrayos y las de otros servicios como eléctrico, antenas de radio y televisión, etc. 75 ESTUDIO SOBRE PROTECCIONES CONTRA DESCARGAS ATMOSFERICAS Desconectador para prueba. Tubo rígido de PVC de 19mm. de diámetro y 3 m. de longitud. Abrazadera galvanizada de 19 mm. de diámetro. Cable de cobre de 28 o 32 hilos. Abrazadera para tierra. Varilla Coperweld para tierra, de cobre con alma de acero de 13 mm. y 3.05 m. Figura 22. Medios de conexión del pararrayos. D) Instalación La instalación se hará de manera poco visible. El conductor se colocara a menos de 60 cm. de la orilla exterior de los techos planos o azoteas, sobre o atrás de los pretiles, a lado de las cumbreras, sobre las cornisas, atrás de las bajadas de agua y en general, procurando esconder el equipo lo más posible. Todos los materiales se fijaran fuertemente a la construcción para evitar cualquier posibilidad de desplazamiento y para facilitar el mantenimiento subsiguiente. 76 ESTUDIO SOBRE PROTECCIONES CONTRA DESCARGAS ATMOSFERICAS 2.4.4.1. Selección del Pararrayos 1. Queda prohibido utilizar pararrayos que funcionan a base de material radioactivo. 2. Los factores que se deben considerar para la determinación de la obligación de instalar pararrayos y en su caso el tipo de pararrayos a utilizar para drenar a tierra la descarga eléctrica son: a) El nivel isoceráunico de la región. b) Las características fisicoquímicas de las sustancias inflamables o explosivas que se almacenen, manejen o transporten en el centro de trabajo. c) La altura del edificio con elación con las elevaciones adyacentes. d) Las características y resistividad del terreno. e) Las zonas del centro de trabajo donde se encuentren sustancias químicas, inflamables o explosivas. f) El ángulo de protección del pararrayos. g) La altura de instalación del pararrayos y el sistema para drenar a tierra las corrientes generadas por la descarga eléctrica. 2.4.4.1. Instalación del Pararrayos Para el desarrollo de la correcta instalación de un sistema de pararrayos se deben considerar los siguientes aspectos básicos: Debe respetar absolutamente las normas existentes. Realizar la correcta ubicación y distribución de todos los elementos. Utilizar estrictamente los materiales especificados. Es de especial interés al análisis de las siguientes observaciones generales relativas a los eventos principales a desarrollarse en una instalación de este tipo, que son: 77 ESTUDIO SOBRE PROTECCIONES CONTRA DESCARGAS ATMOSFERICAS 1. Localización de la posición de las puntas. 2. Fijación de las bases para la localización de las puntas. 3. Determinación del recorrido de conductores. 4. Fijación de conductores. 5. Conexiones. 6. Determinación de la posición de los electrodos a tierra. 7. Instalación de los electrodos. 8. Pruebas. 1. Localización de la posición de las puntas La parte más alta de las puntas debe quedar por lo menos 25 cm. más alta que el contorno protegido. La separación máxima de la orilla del contorno protegido es de 60 cm. El espaciamiento máximo entre puntas debe ser de 7.20 m. +- 10%. 2. Fijación de las bases para la colocación de las puntas Se debe usar algún elemento rígido adecuado al ambiente en el que se instale, por ejemplo, si el ambiente es corrosivo, se puede usar un taquete de plástico con tornillo de latón, considerando que además de corrosivo es húmedo. 3. Determinación de recorrido de conductores Horizontales: De cada punta deberán existir 2 trayectorias a tierra, sin curvas ascendentes. Los cambios de dirección no deben tener un radio menor de 20 cm. Verticales: Deben ser lo más directo posible. No deben tener curvas inversas. Procurar de ser posible, alejarlos de ventanas metálicas. Procurar que el espaciamiento entre bajadas sea uniforme. En la parte inferior del cable vertical aparente (3.00 m. Sobre el nivel del terreno), deberá instalarse una guarda de protección, con la finalidad de proteger al conductor de daño mecánico, se sugieren tuberías no metálicas. 78 ESTUDIO SOBRE PROTECCIONES CONTRA DESCARGAS ATMOSFERICAS 4. Fijación de conductores Antes de sujetarse el cable, deberá ser tomado para garantizar trayectorias lo más rectas posible. El espaciamiento máximo entre puntos de sujeción (abrazaderas), será de 90 cm. Para fijar las abrazaderas se usaran elementos apropiados al medio ambiente en el que se instale. 5. Conexiones Las conexiones deberán ser las mínimas necesarias y de la máxima rigidez mecánica. Siempre se deberán usar conectores mecánicos especiales para este uso. Las conexiones soldadas deberán evitarse. 6. Determinación de la posición de los electrodos de tierra Deben localizarse cercanos a los conductores de bajada a tierra. Preferentemente fuera de cimentaciones. Separados por lo menos 60 cm. de la construcción. De preferencia se deben colocar donde el terreno sea lo más húmedo posible o este en el máximo contacto con humedad. 7. Instalación de los electrodos Varillas o bayonetas: Deben clavarse totalmente (3.05 m.) y asegurarse que el terreno es bueno, o sea, que a través de la superficie de la varilla se establezca un buen contacto con el terreno, por lo tanto, deberá evitarse el hacer una excavación para colocar en ella la varilla. La conexión entre el cable y la varilla se hará con un conector especial para este fin, que garantice la superficie de contacto adecuada. Preferentemente, pero no indispensable, se construirá un registro para tener acceso al conector mencionado anteriormente y colocado en el extremo superior de la varilla. 79 ESTUDIO SOBRE PROTECCIONES CONTRA DESCARGAS ATMOSFERICAS Rehiletes: Se usaran en terrenos donde no sea posible clavar la varilla, en excavaciones especiales para ellos, de la máxima profundidad posible. El rehilete se colocará en el fondo de la excavación en una mezcla de cisco de carbón (carbón menudo) y sal en proporción de 5 a 1. Es muy importante que la excavación sea tapada con tierra de las mejores condiciones de conductividad, al máximo grado de compactación que sea posible. Desconectadores de tierras: Cada electrodo de tierra deberá proveerse de un medio que permita su desconexión del sistema para poder llevar a cabo lecturas del valor de su resistencia a tierra. Normalmente es recomendable la instalación del desconectador en el extremo inferior de cada conductor de bajada, pero debe de tenerse en cuenta que es importante que entre el mismo y el electrodo no debe haber ninguna otra conexión. 8. Pruebas Para considerar satisfactoria una instalación, deberá tener: Continuidad total en sus circuitos, que puede comprobarse haciendo pasar una corriente a través de ellos. Una resistencia a tierra adecuada en sus electrodos (máximo 25 ohms). Rigidez mecánica en sus elementos de soporte. 80 ESTUDIO SOBRE PROTECCIONES CONTRA DESCARGAS ATMOSFERICAS 2.4.4.2 Estudio del Apartarrayos 2.4.4.2.1 Norma 001-SEDE-1999 ARTÍCULO 280 – APARTARRAYOS A. Disposiciones generales 280-1. Alcance. Este Artículo cubre los requisitos generales, de instalación y de conexión de apartarrayos conectados a sistemas de alambrados de usuarios. 280-2. Definición. Un apartarrayos es un dispositivo protector que limita las sobretensiones transitorias descargando o desviando la sobrecorriente así producida, y evitando que continúe el paso de la corriente eléctrica, capaz de repetir esta función. 280-3. Número necesario. Cuando se utilice como un elemento en un punto del circuito, el apartarrayos se debe conectar a cada conductor de fase. Se permite que una misma instalación de apartarrayos proteja a varios circuitos interconectados, siempre que ningún circuito quede expuesto a sobretensiones cuando esté desconectado de los apartarrayos. 280-4. Elección del apartarrayos a) Para circuitos de menos de 1000 V. La capacidad nominal de los apartarrayos debe ser igual o mayor que la tensión eléctrica continua de fase a tierra a la frecuencia de suministro que se pueda producir en el punto de aplicación. Los apartarrayos instalados en circuitos de menos de 1000 V deben estar aprobados y listados para ese fin. b) En circuitos de 1 kV y más, tipo carburo de silicio. La capacidad nominal de los apartarrayos tipo carburo de silicio no debe ser inferior a 125% de la tensión eléctrica máxima continua de fase a tierra disponible en el punto de aplicación. 81 ESTUDIO SOBRE PROTECCIONES CONTRA DESCARGAS ATMOSFERICAS NOTA: La elección adecuada de apartarrayos de óxido metálico se debe basar en consideraciones de la tensión eléctrica máxima continua y del valor y duración de las sobretensiones en el lugar donde se vaya a instalar, y de cómo puedan afectar al apartarrayos las fallas de fase a tierra, los métodos de puesta a tierra del sistema, las sobretensiones por operación de interruptores y otras causas. Es conveniente consultar las instrucciones de los fabricantes para la aplicación y selección de apartarrayos en cada caso particular. B. Instalación de los apartarrayos 280-11. Localización. Está permitido instalar apartarrayos en interiores o exteriores, pero deben ser inaccesibles a personas no-calificadas, y lo más cerca posible del equipo. Véase 280-27 Excepción: Los apartarrayos aprobados y listados para su instalación en lugares accesibles. En instalaciones en vía pública, deben instalarse apartarrayos en los puntos normalmente abiertos. Cuando se trate de sistemas subterráneos, el apartarrayos debe ser de frente muerto. 280-12. Tendido de los cables de los apartarrayos. El conductor utilizado para conectar el apartarrayos a la red o cables y a tierra no debe ser más largo de lo necesario, y se deben evitar curvas innecesarias. C. Conexión de los apartarrayos 280-21. Instalados en acometidas de menos de 1000 V. Los conductores de conexión a la red y a tierra no deben ser de tamaño nominal inferior a 2,082 mm 2 (14 AWG) en cobre ni menor a 13,3 mm 2 (6 AWG) en aluminio. El conductor de puesta a tierra de apartarrayos se debe conectar a uno de los siguientes elementos: (1) al conductor puesto a tierra de la acometida; (2) al conductor del electrodo de puesta a tierra; (3) al electrodo de puesta a tierra de la acometida o (4) a la terminal de puesta a tierra de equipo de acometida. En los elementos (2) y (3) anteriores, el conductor de puesta a tierra debe ser de cobre. 82 ESTUDIO SOBRE PROTECCIONES CONTRA DESCARGAS ATMOSFERICAS 280-22. Instalados en el lado de la carga en instalaciones de menos de 1000 V. Los conductores de conexión de apartarrayos a la red y a tierra no deben ser de tamaño nominal inferior a 2,082 mm 2 (14 AWG) en cobre ni menores a 13,3 mm 2 (6 AWG) en aluminio. Se permite conectar un apartarrayos entre dos conductores cualesquiera (de fase, puesto a tierra o conductor de puesta a tierra). El conductor de puesta a tierra y el puesto a tierra sólo se deben conectar entre sí cuando funcione el apartarrayos normalmente durante una sobretensión. 280-23. Circuitos de 1 kV en adelante: conductores de los apartarrayos. Los conductores entre apartarrayos y la red y entre aquéllos y la conexión de puesta a tierra, no deben ser inferiores a 13,3 mm 2 (6 AWG) de cobre o aluminio. 280-24. Circuitos de 1 kV en adelante: conexiones. Los conductores de puesta a tierra de apartarrayos que protegen a un transformador cuyo secundario suministre energía a un sistema de distribución, se deben conectar como se indica en los siguientes incisos. a) Conexiones metálicas. Se debe hacer una conexión metálica con el conductor puesto a tierra en el secundario o al conductor de puesta a tierra del equipo en el secundario, considerando que además de la conexión directa puesta a tierra del apartarrayos: 1) El conductor puesto a tierra en el secundario tenga además una conexión de puesta a tierra con una tubería metálica continua enterrada para agua. No obstante, en zonas urbanas donde haya por lo menos cuatro conexiones con tubería de agua al neutro y no-menos de cuatro de dichas conexiones por cada 1,6 km de longitud del neutro, se permite hacer la conexión metálica con el neutro del secundario, sin tener que hacer la conexión directa a tierra del apartarrayos. 2) El conductor puesto a tierra en el secundario del sistema forme parte de un sistema con múltiples puestas a tierra del neutro en el cual el neutro del primario tiene al menos cuatro conexiones a tierra por cada 1,6 km, adicionalmente a la puesta a tierra en cada acometida. 83 ESTUDIO SOBRE PROTECCIONES CONTRA DESCARGAS ATMOSFERICAS b) A través de un entrehierro o dispositivo. Cuando el conductor de puesta a tierra del apartarrayos no esté conectado como se indica anteriormente en (a) o cuando el secundario no esté puesto a tierra como se indica anteriormente en (a), pero sí como se indica en 250-81 y 250-83, se debe hacer una conexión a través de un entrehierro u otro dispositivo aprobado y listado, como sigue: 1) En sistemas con primario no-puesto a tierra o con un solo punto de puesta a tierra, el entrehierro u otro dispositivo aprobado y listado debe tener una tensión eléctrica de ruptura a 60 Hz como mínimo del doble de la tensión eléctrica del circuito primario, pero no necesariamente más de 10 kV, y debe haber como mínimo otro punto de puesta a tierra del conductor de puesta a tierra del secundario, a una distancia no-menor de 6 m del electrodo de puesta a tierra del apartarrayos. 2) En sistemas cuyo neutro del primario tenga varios puntos de puesta a tierra, el entrehierro u otro dispositivo aprobado y listado debe tener una tensión eléctrica de ruptura a 60 Hz no-superior a 3 kV y debe haber como mínimo otro punto de puesta a tierra del conductor de puesta a tierra del secundario a una distancia no-inferior a 6 m del electrodo de puesta a tierra del apartarrayos. c) Con permiso especial. Sólo se puede hacer una conexión del conductor de puesta a tierra del apartarrayos y del neutro del secundario, que no sea como las indicadas en los anteriores (a) y (b), mediante permiso especial de la empresa suministradora. 280-25. Toma de tierra. Excepto lo indicado en este Artículo, las conexiones de puesta a tierra de los apartarrayos se deben hacer como se indica en el Artículo 250. Los conductores de puesta a tierra no deben ir en una envolvente metálica a no ser que estén conectados equipotencialmente a ambos extremos de dicha envolvente. 280-26. Sistemas aéreos en anillo y en transiciones. Deben instalarse apartarrayos en el punto abierto de sistemas aéreos en anillo y en transiciones de línea aérea a subterránea. 84 ESTUDIO SOBRE PROTECCIONES CONTRA DESCARGAS ATMOSFERICAS 280-27. Instalación en interiores. Cuando se instalen apartarrayos en el interior de edificios, deben ubicarse fuera de pasillos y alejados de otros equipos, así como de materiales inflamables. 280-28. Resguardo. Los apartarrayos y sus accesorios deben resguardarse, ya sea por su elevación o por su localización en sitios inaccesibles a personas nocalificadas; o bien, protegidos por defensas o barandales, similares a los que se mencionan en 710-35. 280-29. Conexión de puesta a tierra a) Conductores de puesta a tierra. Los apartarrayos deben ser puestos a tierra lo más directamente posible y deben cumplir con el tamaño nominal mínimo señalado en 280-23. b) Conexión de puesta a tierra de partes metálicas de apartarrayos. Cuando no sea factible el resguardo de los apartarrayos como se indica en 280-28, su estructura y partes metálicas que no conducen corriente eléctrica, deben ser puestos a tierra. c) Apartarrayos instalados en terminales de cables subterráneos. Cuando se instalen en terminales de cables subterráneos con cubiertas metálicas, éstas deben conectarse al mismo sistema de tierra de los apartarrayos. 85 ESTUDIO SOBRE PROTECCIONES CONTRA DESCARGAS ATMOSFERICAS Los apartarrayos actúan como válvulas de seguridad destinadas a descargar las sobretensiones causadas por descargas atmosféricas, maniobras u otras perturbaciones, que en caso contrario se descargarían por los aisladores o perforando el aislamiento, ocasionando una interrupción en una línea y eventualmente desperfectos en las máquinas. Están proyectados de modo que absorban suficiente energía transitoria para evitar reflexiones peligrosas y para cortar la corriente en su primer paso por cero, después de la descarga de la sobretensión. El aparato incluye uno o más juegos de distancias explosivas que determinan la tensión de descarga y ayudan a la extinción del arco, evitando el paso de corriente en servicio normal. La resistencia del material del apartarrayos es, aproximadamente inversamente proporcional a la tensión que soporta, de manera que la caída de potencial a través del apartarrayos aumenta muy poco al aumentar la intensidad que lo atraviesa. El apartarrayos es utilizado para la protección contra descargas indirectas cuyas ondas viajan a través de las líneas de entrada a la subestación y contra las descargas directas; también protegen el equipó contra algunas ondas que se presentan por operaciones de maniobra. Algunos de los apartarrayos actuales son capaces de drenar cualquier descarga eléctrica como retraso en la descarga, ya que no es práctico diseñar apartarrayos con un intervalo de tiempo apreciable en las descargas de corriente a tierra debido a la cantidad de energía almacenada. Aunque una descarga del apartarrayos puede ser de varios cientos de amperes su duración es muy corta en comparación con la energía total absorbida por el apartarrayos, la primera consideración en la aplicación de un apartarrayos es determinar el máximo voltaje de línea a tierra a que el apartarrayos puede estar sujeto para cualquier operación del sistema o falla. 86 ESTUDIO SOBRE PROTECCIONES CONTRA DESCARGAS ATMOSFERICAS 2.4.4.2.2 Protección de la Subestación La protección de las subestaciones contra sobretensiones de origen externo o contra sobretensiones por operaciones de maniobra (switcheo), consiste básicamente en varillas coperweld en las estructuras, hilos de guarda, pararrayos y apartarrayos. Cómo protección adicional al equipo y el personal de operación se tienen la red de tierra cuyo diseño está en función de la corriente de falla a tierra, la corriente de rayo y la forma en que se encuentra el equipo conectado a tierra. Él número de varillas coperweld que se instalan en una subestación tipo intemperie no esta sujeto a un cálculo ya que se pueden localizar tantas varillas coperweld como columnas de los marcos de la estructura de la subestación. 2.4.4.2.3 Selección del Apartarrayos El apartarrayos protege contra las descargas indirectas, cuyas ondas viajan a través de las líneas de entrada a la subestación y contra las descargas directas, también protegen el equipo contra algunas ondas que se presentan por operaciones de maniobra. Algunos de los modernos apartarrayos son capaces de descargar cualquier descarga eléctrica como algún retraso en la descarga ya que no es practico diseñar apartarrayos con el intervalo de tiempo apreciable en las descargas de corriente a tierra debido a la cantidad de energía almacenada. Aunque una descarga eléctrica puede ser de varios cientos de amperes su duración, es muy corta en comparación con la energía total absorbida por el apartarrayos. La primera consideración en la aplicación de un apartarrayos es determinar el máximo voltaje de línea a tierra a que puede estar sujeto para cualquier operación del sistema o falla. 87 ESTUDIO SOBRE PROTECCIONES CONTRA DESCARGAS ATMOSFERICAS 2.4.4.2.4 Tensiones nominales del Apartarrayos Los sobrevoltajes de falla a tierra pueden ser causadas por la pérdida súbita de carga en generadores de plantas hidroeléctricas, por energización de líneas en vació, por fenómenos de resonancia o por fallas en el sistema dentro del tipo de fallas internas, en este grupo lo más importante a considerar son los sobrevoltajes por fallas en el sistema, los otros casos se consideran como casos especiales. El máximo sobrevoltaje por condiciones de fallas se obtiene por la corrección de línea a tierra considerando el efecto de la aterrización. De acuerdo con las normas ASA las relaciones de X0/X1 y R0/X1 dan una clasificación de los sistemas debido a la forma en que se encuentran aterrizados sus neutros para la determinación de sus sobrevoltajes, como se muestra en la tabla 1, mostrándose la clasificación de sistemas por el método de conexión a tierra utilizando las normas ASA para la determinación de sobrevoltajes por falla: DESCRIPCION CLASE RELACIONES DE LIMITE COEFICIENTE DE X0/X1 R0/X1 ATERRIZACION EN ATERRIZADO A * * 75 ATERRIZADO B 0–3 0a1 80 ATERRIZADO C 3 a +∞ 1 a +∞ 100 NO D -40 a -∞ - 100 E 0 a -40 - - ATERRIZADO NO ATERRIZADO *Relación no establecida. Tabla 1. Clasificación de sistemas por el método de conexión a tierra. 88 ESTUDIO SOBRE PROTECCIONES CONTRA DESCARGAS ATMOSFERICAS Los apartarrayos suelen localizarse en las subestaciones eléctricas lo más cercano al equipo por proteger, sin embargo algunas veces pueden encontrarse localizados a una distancia del equipo que aunque es relativamente corta se le conoce como localización remota de apartarrayos. 2.4.4.2.5 Acción del Apartarrayos La acción de un apartarrayos va dirigido fundamentalmente hacia la operación con ondas de sobrevoltaje debido a descargas atmosféricas y la interrupción de la onda de corriente que se presenta simultáneamente. Aunque en la actualidad se tiene apartarrayos de diseño especial que operan con ondas de voltaje que se presentan con operaciones de maniobra (switcheo). En esta parte solo se estudiará el caso de ondas debidas a descargas atmosféricas .Como se ha estudiado, la propagación de las ondas en la línea de transmisión que llegan al equipo en las subestaciones o plantas tiene lugar a través de la impedancia característica de la línea Z0 L C , dependiendo de la flexión y transmisión (refracción) de estas ondas (Figura 20), de los puntos de transición (cambio de medio de propagación) en la línea. ef ef Onda incidente Figura 20. Representación de la propagación de una onda de una línea de transmisión. 89 ESTUDIO SOBRE PROTECCIONES CONTRA DESCARGAS ATMOSFERICAS Como se mencionó anteriormente las funciones básicas del apartarrayos son: limitar la magnitud del voltaje que se presenta en sus terminales, presentar una baja impedancia a tierra para facilitar el paso de la corriente del rayo para recuperar su rigidez dieléctrica después de que ha sido operado el apartarrayos Un apartarrayos es por lo tanto un aislador en presencia de ondas de voltaje debajo de su valor de operación en sus terminales. Arriba de este valor se presenta un arqueo cuando una onda de voltaje pase a través del apartarrayos. Pudiera ser que la línea a la que se encuentra conectado un apartarrayos en un punto, no estuviera adecuadamente protegida y que el apartarrayos tuviera un valor de operación superior al cual debiera de operar, en estas condiciones se presenta el fenómeno de reflexiones sucesivas ya que el apartarrayos puede tener un intento de operación y originar reflexiones de ondas negativas. 2.4.4.2.6 Tipos de Apartarrayos Apartarrayos tipo línea.- Son algo más pequeño y mas baratos, y poseen una capacidad de descarga más reducida y una caída RI. Estos pararrayos se usan en líneas con trasformadores de distribución y en los extremos de las zonas protegidas de centrales o estaciones Apartarrayos tipo Thyrite.- Construido por la General Electric Company .emplean discos de una composición de cerámica homogénea, no porosa e inorgánica, que se convierten, de aislantes, en excelentes conductores, cuando la tensión se eleva a un valor determinado. En serie con los discos de thyrite se halla un conjunto de varias distancias disruptivas en serie, formando unidad, cada una de las cuales está shuntada por una resistencia thyrite en derivación, que asegura una distribución de la tensión regulada y uniforme. Los discos y los espacios disruptivos están encerrados dentro de un cuerpo de porcelana con tapa y fondo metálicos. Se forman columnas de una o más unidades para obtener la tensión nominal adecuada. Estos pararrayos pueden conseguirse para una serie de tensiones desde 2.3 hasta 287 Kv. 90 ESTUDIO SOBRE PROTECCIONES CONTRA DESCARGAS ATMOSFERICAS Apartarrayos de Película de Oxido.- Se componen de cierto número de celdas que contienen peróxido de plomo, en serie con una distancia disructiva entre línea y tierra. Este tipo de apartarrayos ha sido suplantado en gran escala por otros tipos. Apartarrayos tipo de Bolitas o Píldoras (Pellet).- Es una modificación del de película de óxido. El peróxido de plomo recibe la forma de bolitas del tamaño de una píldora común, recubiertas de un polvo aislante o barnizadas y colocadas en un tubo convenientemente aislado según la tensión a que ha de aislarse. Completan el conjunto un explosor o distancia explosiva en serie y los conductores terminales. La descarga, después de salvar el explosor perfora la capa aislante de las bolitas y seguidamente dicha capa se regenera, cortando el paso de la corriente dinámica. Este apartarrayos esta clasificado como propio para distribución y líneas; su capacidad de descarga es inferior a los de los tipos para estaciones o centrales. Estos apartarrayos se construyen para tensiones de 1 hasta 73 kvolts Apartarrayos de elementos de aluminio.- Basan su funcionamiento en una película aislante formada aplicando una fuerza electromotriz entre dos electrodos de aluminio en un electrolito apropiado. La película se perfora con una sobretensión, pero se vuelve a formar cuando la tensión baja a su tensión normal. Antes se usaban mucho, pero debido a sus elevados gastos de conservación, este tipo ha sido sustituido por otros más modernos. Apartarrayos Autovalvulares.- Tal como los construye la Westinghouse Electric Corporation, se fabrican tanto para centrales como para líneas. Los primeros se hacen para una capacidad descarga de 100,000 amperes, y los segundos para 50,000 amperes y para tensiones de 1 hasta 287 kv. El apartarrayos autovalvular se compone de bloques cilíndricos porosos y elementos explosores; el conjunto es comprimido por medio de resortes. Las unidades así formadas están encerradas en una cámara de porcelana, provista de una pieza de base y otra de tapa, donde se fijan las terminales de puesta a tierra y de línea respectivamente ( ver figura 24). 91 ESTUDIO SOBRE PROTECCIONES CONTRA DESCARGAS ATMOSFERICAS Figura 24. Tipo de apartarrayos autovalvular. 92 ESTUDIO SOBRE PROTECCIONES CONTRA DESCARGAS ATMOSFERICAS Apartarrayos de Distribución con Sello Rolado.- (para altitudes de 0 a 3 km. Uso exterior e interior de 3 a 24 kv, a una fase.). El apartarrayos IUSA de distribución, es ahora el más pequeño y ligero disponible en el mercado. Este apartarrayos ha mantenido las distancias de fuga de campanas más profundas y mejorado sus características eléctricas de excelente protección al mismo tiempo que las reducciones en tamaño y peso proporcionan al usuario numerosa ventajas: facil manejo durante la instalación, reducción de peso en las crucetas, mejor apariencia de las instalaciones eléctricas de distribución, reducción de espacios de aislamiento y mayor facilidad para almacenamiento (figura 23). Figura 23. Representación del apartarrayos de distribución con sello rolado. 93 ESTUDIO SOBRE PROTECCIONES CONTRA DESCARGAS ATMOSFERICAS Los apartarrayos de distribución tipo rolado marca IUSA, han sido manufacturados y probados, de acuerdo con las normas ANSI, NEMA e IEC para apartarrayos clase distribución. Funcionamiento : La función básica del apartarrayos es proteger las instalaciones eléctricas de alta tensión y equipo de sub-estaciones, principalmente los transformadores eléctricos, cuando en la línea se produce una sobre tensión que puede ser debida a una caída de rayos o efectos transitorios tales como operación de interruptores, cortos circuitos, etc; todos ellos cercanos a las instalaciones. Dicha sobretensión se deriva a tierra en forma de corrientes muy elevadas que pasan a través de las distancias de arqueo a los cilindros autovalvulares hasta la terminal a tierra, pasando por el indicador de fallas. Cuando se presenta el fenómeno , el apartarrayos debe descargas las sobretensiones y ser capaz de interrumpir la corriente remanente cuando termine el primer medio ciclo a frecuencia normal de la línea. Para dar una idea de lo anterior, esto significa la extinción del fenómeno en forma completa en 1/120 de segundo para frecuencia de 60 hz. 94 ESTUDIO SOBRE PROTECCIONES CONTRA DESCARGAS ATMOSFERICAS Figura 24. Partes de un apartarrayos de distribución con sello rolado. Partes constitutivas de un Apartarrayos de distribución con sello rolado (figura 24): 1. Capuchón aislante 2. Terminal superior , conector y tapa inferior. 3. Conjunto de cámaras de arqueo. 4. Resorte de contacto con derivador. 5. Cilindros autovalvulares. 6. Porcelanas fabricada bajo proceso húmedo. 7. Abrazadera galvanizada. 8. Indicador de fallas. 9. Sello rolado. 95 ESTUDIO SOBRE PROTECCIONES CONTRA DESCARGAS ATMOSFERICAS Factores de selección e instalación: El principio de selección de un apartarrayos es que su tensión nominal corresponda a la tensión que normalmente existe en una línea determinada entre cada fase y tierra o sea que corresponda con el valor real que en forma sostenida va a tener verdaderamente aplicado entre terminales el apartarrayos. En todos los casos se instala un apartarrayos por fase instalada de fase a tierra y debe conectarse dicha tierra al neutro aterrizado del equipo cuando éste exista. Con el propósito de seleccionar el valor adecuado de tensión nominal para un apartarrayos dado, en sistemas trifásicos, existen los siguientes tipos o sistemas de aterrizaje : Tipo A: Sistemas con neutro a tierra: Sistemas con neutro a tierra cuyas relaciones reactancia a resistencia son menores que las de los sistemas tipo B. Los sistemas tipo A llevan 4 hilos con neutro múltiple en conexiones de distribución: este sistema es llamado usualmente “multiaterrizado”. Tipo B: Para sistemas con tierra múltiple con relación de reactancia (X0/X1)positiva y menor de 3 y aquellos cuya relación de resistencia (R0/X1)sea positiva y menor de 1 en cualquier punto del sistema. Este sistema es usualmente definido como”efectivamente aterrizado o firmemente aterrizado”. Tipo C: Este sistema con todo y tener el neutro aterrizado, no llena los requerimientos del sistema tipo B porque la relación de reactancia es mayor de 3 con valor positivo; 96 ESTUDIO SOBRE PROTECCIONES CONTRA DESCARGAS ATMOSFERICAS 2.4.4.2.7 Instalación del Apartarrayos La instalación del apartarrayos constituye una seguridad contra las interrupciones de servicio de las líneas y de los desperfecto en equipos. La magnitud y el tipo de protección depende de la frecuencia de intensidad de las tormentas que se producen en la región, del valor que se asigne a la reducción de las interrupciones de la línea ocasionadas por descargas atmosféricas y de desperfectos a los equipos. En general, el grado de aislamiento de la línea en la proximidad en la central y el de los equipos de la misma debería estar coordinado de tal manera que el aislamiento de los equipos no se perfore ni pudiese saltar el arco en los aisladores de los transformadores e interruptores. Las centrales conectadas a líneas aéreas tienen que estar dotadas de protecciones contra descargas atmosféricas proporcionadas al riesgo que éstas implica. La figura 25 indica la disposición adoptada para dos grupos de apartarrayos colocados exteriormente en una estación transformadora. Figura 25. Instalación de apartarrayos en el exterior de una estación transformadora. 97 ESTUDIO SOBRE PROTECCIONES CONTRA DESCARGAS ATMOSFERICAS Figura 26. instalación de un apartarrayos en el interior de una estación transformadora. Figura 27. Medidas de montaje para apartarrayos autovalvulares de 3 a 37 kilovoltios de tensión nominal. La figura 26 se refiere a una instalación de interior en la que se hace llegar en curva suave al apartarrayos su conexión a la línea, efectuada por un conductor apropiado, y derivando del punto de entrada del apartarrayos la alimentación de la estación transformadora, cuyos conductores no hay inconveniente en que presenten trazados más o menos sinuosos. La figura 27 muestra las medidas de montaje para apartarrayos hasta 37,000 voltios de tensión de trabajo, señalando las cotas mínimas necesarias cuyos valores se aprecian en la tabla 2. 98 ESTUDIO SOBRE PROTECCIONES CONTRA DESCARGAS ATMOSFERICAS MONTAJE Tensión normal en kv 3.7 6.4 11 15 24 37 Interior P mm 200 210 230 285 285 365 Exterior P1 130 155 180 235 235 315 P mm 300 315 340 375 405 480 P1 160 185 210 285 285 385 Tabla 2. Medidas de montaje para los apartarrayos. Los criterios para la instalación del sistema de apartarrayos se obtienen de acuerdo a las normas vigentes, a continuación se describe los puntos que se deben tomar en cuenta para la instalación de un sistema de apartarrayos: 1) Cuando la construcción que se desea proteger alcance una altura igual o mayor a 15m. y no se encuentren construcciones más elevadas en un radio de 500m. 2) Cuando la construcción sea la más alta de la población en donde está localizada, aún cuando dicha altura sea menor a los 15m. 3) Cuando la construcción se localice en terreno con altura sobresaliente respecto a la población en donde se ubique . 4) Cuando la construcción se encuentre aislada o alejada una distancia radial a 500m. de cualquier otra construcción. 5) Cuando el objetivo de la construcción sea almacenar alcohol, acetona o productos altamente inflamables o explosivos 99 ESTUDIO SOBRE PROTECCIONES CONTRA DESCARGAS ATMOSFERICAS 2.4.5 COORDINACIÓN DE AISLAMIENTO La tensión dinámica máxima posible en un dispositivo de tensión tiene que estar por debajo de la tensión disruptiva a que se ha ajustado el explosor o de la tensión máxima admisible entre la línea y la tierra del apartarrayos. La tensión disruptiva y las características de descarga de los dispositivos de protección, bajo las peores condiciones posibles, con un determinado margen de seguridad determinan el grado de protección provisto. El nivel básico de aislamiento de los aparatos, aisladores, etc; es el valor de cresta del impulso de tensión que pueden resistir, debe hallarse con un margen adecuado, por encima del grado de protección. Los márgenes de protección elegidos dependen de la distancia de los dispositivos de protección y los equipos a proteger, la importancia del servicio, el costo que representa y la frecuencia probable de sobretensiones peligrosas. El caso más interesante de este aislamiento es el del contorneamiento de los aisladores por efecto de una onda de choque. El valor de la tensión necesaria para producirlo depende de la polaridad de la onda (+) ó (-), dicha tensión tienen en general mayor amplitud que la que correspondería a la corriente de frecuencia industrial. Es sabido que el valor de la tensión de contorneamiento por ondas de cresta elevada y de frente muy escarpado, no depende solo del tiempo que dure su aplicación sino que también muy especialmente de la forma de la onda. Dicha tensión de contorneamiento depende, así mismo y de modo apreciable, del estado de las superficies de los aisladores Un aislante en aceite que esté en paralelo con otro aislante en el aire, representa ventaja por lo que a la tensión de choque se refiere, y lo confirman los excelentes resultados obtenidos a este con respecto con los aparatos en aceite y en especialmente con los transformadores. 100 ESTUDIO SOBRE PROTECCIONES CONTRA DESCARGAS ATMOSFERICAS Los aisladores impregnados en aceite tienen cualidades parecidas a la de este por lo que se refiere a la rigidez dieléctrica con las ondas de choque; por el contrario en los aislantes sólidos secos, sobre todo en la porcelana, la relación de impulsión no es muy grande. En los pasamuros de dicho material, la tensión disruptiva aplicando ésta durante un periodo muy corto por debajo de I μs, es sensiblemente del mismo valor que con la frecuencia industrial. No existe explicación clara de por qué en los aisladores, y por lo que se refiere a la rigidez dieléctrica la sobretensión que soportan con las ondas de choque es mayor que la frecuencia de servicio, sobre todo si se trata de ondas cuya amplitud de cresta es elevada y de frente muy escarpado. La figura 27 muestra los contorneamientos tan distintos que producen las dos clases de ondas de choque: la de la izquierda, con onda normalizada definida, como se dice luego, y la de la derecha, con una alternancia a la frecuencia de 50 Hz. ambas ondas son negativas. Como la tensión de contorneamiento aumenta a medida que disminuye el tiempo en el cual esta aplicada dicha tensión puede ocurrir que la porcelana sufra una perforación antes de que se haya provocado el contorneamiento, especialmente si se trata de ondas de muy pequeña duración. 101 ESTUDIO SOBRE PROTECCIONES CONTRA DESCARGAS ATMOSFERICAS Figura 27. Contorneamientos producidos con ondas negativas. A la izquierda con ondas de choque, y a la derecha con una alternancia a la frecuencia de 50 hertz. La proporción de las descargas capaces de producir flameos en el aislamiento de las líneas, decrece a medida que la tensión en el sistema aumenta. A esta conclusión se ha llegado en estudios hechos en otros países para redes de 132 KV, 66 KV, y 33 KV, en sistema de transmisión y distribución. Actualmente con los niveles de tensión que se usan en transmisión y la tendencia a incrementarlos arriba de 400 KV, las ondas de sobretensión por maniobra en los interruptores representan la causa principal de fallas en el aislamiento. El primer problema que se presenta en los niveles de alta tensión para la transmisión, es que el aislamiento de las cadenas y claro en el aire ( distancias de conductor a estructura y conductor ), no se incrementan linealmente con la tensión, se incrementan en forma aproximada como V1.6. 102 ESTUDIO SOBRE PROTECCIONES CONTRA DESCARGAS ATMOSFERICAS Es necesario considerar la frecuencia con la cual bajo condiciones normales de operación, las operaciones de maniobra de interruptores causan sobretensiones. Por lo general, esto conduce a estudios estadísticos en los que se grafican en forma de histograma en el eje de la abscisas las sobretensiones en P. U. y en el de las ordenadas, la frecuencia, de estos estudios se ha llegado también a las siguientes conclusiones de tipo general: a) Si el nivel de aislamiento se selecciona arriba del máximo nivel de sobretensión producido por maniobra de interruptores, la probabilidad de falla en el aislamiento es muy baja. b) Si se emplea un nivel de aislamiento reducido, la probabilidad de fallas en el aislamiento aumenta con relación al caso anterior. c) Si se emplea aislamiento reducido, pero la característica de distribución de sobretensión se modifica por el uso de apartarrayos o amortiguamiento por resistencia en los interruptores, la probabilidad de falla en aislamiento es baja. 103 ESTUDIO SOBRE PROTECCIONES CONTRA DESCARGAS ATMOSFERICAS 2.4.5.1 Coordinación entre líneas y estaciones. En lo que concierne a la coordinación entre líneas y estaciones transformadoras, en principio existen dos soluciones posibles: La primera consiste en aislar la línea débilmente con aquellas estaciones; con ello, éstas no estarán sometidas a tensiones peligrosas. La segunda solución, consiste en aislar las líneas fuertemente para tener en las mismas pocas perturbaciones y dejar que se produzcan los contorneamientos inevitables en lugares determinados de las estaciones transformadoras o antes de aquéllas. La práctica ha seleccionado esta segunda solución por que las condiciones en las líneas y estaciones son tan diferentes que no parece acertado recurrir a la primera solución. Además, las sobretensiones se amortiguan rápidamente en el recorrido de las líneas, de forma, que en las estaciones transformadoras son aquéllas menos elevadas que en el lugar donde se producen. Si existe mayor grado de aislamiento en las líneas que en las estaciones transformadoras, se puede dar el caso de que una sobretensión dada no produzca contorneamiento ni en las líneas, ni en las estaciones. De lo expuesto se deduce la conveniencia de que las sobretensiones lleguen a las estaciones transformadoras, donde encontrarán el correspondiente nivel de protección: apartarrayos o explosores. Si no se quiere instalar en la misma estación transformadora, en los puestos o puntos destinados a las descargas, pueden colocarse los apartarrayos o los explosores inmediatamente antes de dicha estación. Esto es sobre todo ventajoso cuando los explosores se instalan en combinación con el dispositivo de reenganche rápido; más es preciso que los explosores que se encuentran al exterior de la subestación reemplacen el nivel más bajo de ella y no constituyan otro nivel más. 104 ESTUDIO SOBRE PROTECCIONES CONTRA DESCARGAS ATMOSFERICAS El hecho de que las ondas móviles se amortiguan, sugiere la idea de proteger mejor las líneas en la proximidad de las estaciones transformadoras, por ejemplo, en un radio de 1 kilómetro. Esta medida es aconsejable cuando no se justifica económicamente el tendido a lo largo de toda la línea del cable de tierra. Empleando éste en los trozos de líneas antes de la estación transformadora, se evita lo mejor posible la producción de sobretensiones en la porción contenida en el radio protegido, por las que se origina más allá, llegan a la estación suficientemente amortiguadas. Ciertamente que ésta precaución no debe tomarse sin proteger la estación transformadora contra los rayos directos; si se trata de una estación transformadora del tipo intemperie, será necesario tender cables de tierra por encima de la instalación. Por lo que se refiere a los intervalos entre los distintos niveles, se considera necesario que la diferencia entre el nivel intermedio y el superior, sea al menos del 25%, si las pruebas de coordinación son independientes para cada uno de ellos. Sin embargo, el comité Suizo de coordinación prescribe que el ensayo ha de ser simultáneo y entonces el escalón puede ser únicamente de un 15% sin que se aumente por ello la probabilidad de funcionamiento intempestivo. Entre la tensión de encebamiento del nivel intermedio y el de los apartarrayos, un intervalo del 15% parece bastar, aunque las pruebas de coordinación no sean simultáneas. Sin embargo, como los pararrayos deben también cumplir su misión, cuando los aparatos de alta tensión que deben protegerse están situados a alguna distancia, es posible admitir que las tensiones que llegarán a la estación transformadora serán un poco mayores que las tensiones de encebamiento de los apartarrayos. Por ello es lógico prescribir un intervalo al menos de 25% entre los niveles de aislamiento. 105 ESTUDIO SOBRE PROTECCIONES CONTRA DESCARGAS ATMOSFERICAS 2.4.5.2 Diseño del aislamiento de las líneas por sobretensión de origen atmosférico Para diseñar líneas de transmisión con un comportamiento aceptable durante descargas atmosféricas, se debe disponer de métodos confiables para predecir posible flameos y salidas de operación de la línea. Actualmente los métodos disponibles son aquellos que emplean curvas generalizadas como las que aparecen en EHV Transmisión Líneas del Edison Institute y aquellas técnicas basadas en la aplicación del método de Monte-Carlo, que permite el uso de aspectos probabilísticos para el análisis detallado de una línea especifica y parámetros establecidos en la descarga y que dan resultados bastante aproximados. En realidad, se puede decir que cualquiera de los métodos de cálculo carece de una base sólida de conocimientos teóricos, ya que tienen que ser complementados con la experiencia adquirida en el campo; de esto se observa que en algunos casos los resultados obtenidos coinciden con la experiencia que se tiene y se establece un procedimiento con cierto grado de confiabilidad; en cambio en otros casos, es necesario hacer modificaciones y debido a la gran cantidad de parámetros que se manejan, estos procedimientos no eliminan la posibilidad de hacer correcciones y compensar errores que pueden mejorar los cálculos en otras líneas cuando se aplican a otros tipos y condiciones que las encontradas previamente, por lo que una buena regla es que cuando se aplique el método de predicción a una nueva línea, se deben verificar que experiencias que se han tenido previamente con objeto de que en caso de ser necesario, se modifiquen algunos aspectos basados en la experiencia práctica y experimental. 106 ESTUDIO SOBRE PROTECCIONES CONTRA DESCARGAS ATMOSFERICAS CAPITULO III 107 ESTUDIO SOBRE PROTECCIONES CONTRA DESCARGAS ATMOSFERICAS CONCLUSIONES La instalación de un sistema de protección contra descargas atmosféricas y sobrevoltajes es una labor delicada tanto en proyecto como en la instalación, y es recomendable que estos trabajos sean desarrollados por personas que tengan el conocimiento sobre las consecuencias que trae consigo una descarga eléctrica de tipo atmosférico. Es conveniente para toda persona dedicada a la construcción, ingenieros eléctricos, técnicos, estudiantes, etc, conozca sobre el fenómeno natural llamado “rayo”, para que de esta forma protejan tanto los sistemas eléctricos, líneas de distribución, centrales eléctricas etc., sobre dicho fenómeno. Es recomendable darle la importancia a este tema ya que no está por demás señalar la capacidad destructiva que posee una descarga atmosférica que trae consigo grandes consecuencias tanto sus efectos directos o indirectos como son, daños a personas y cosas, incendios y destrucción, etc. Por todo lo anterior se considera que se han mencionado los puntos básicos del comportamiento, así como las consecuencias que trae consigo una descarga eléctrica producida por un “rayo” y así de esta manera, por medio de este estudio tengan a la mano una información valiosa para su vida. 108 ESTUDIO SOBRE PROTECCIONES CONTRA DESCARGAS ATMOSFERICAS BIBLIOGRAFÍA ENRIQUEZ Harper Gilberto (1980). Líneas de Transmisión y Redes de Distribución de Potencia Eléctrica. Ed. Limusa, Volumen I y II, México D.F. ENRIQUEZ Harper Gilberto (1983). Estudio sobre Tensiones Transitorias con Sistema Eléctrico y Coordinación de Aislamiento.Volumen II,Ed. Limusa, México D.F. E. Knowlton Archer (1956). Manual Standard del Ingeniero Electricista. Tomo I, Ed. Labor S.A., Barcelona, Madrid. INDUSTRIAS UNIDAS, S.A. (IUSA). Catalogo de Alta tensión. Westinghouse, México D.F. PROYECTO Instalaciones S.A. (1979). Especificaciones Generales de Construcción. Ed. Limusa, S.A., México D.F. SIERRA Madrigal Victor (1984). Manual Técnico de cables de energía. Ed. McGrawHill, México D.F. VIQUEIRA Landa Jacinto (1970). Redes Eléctricas. Ed. Presentaciones y Servicios de Ingeniería, S.A., México D.F. WAYNE Beaty H. y G. Fink Donald (1996). Manual de Ingeniería Eléctrica Decimotercera edición, Ed. McGraw-Hill, México. WESTINGHOUSE Electric Corporation (1950). Transmission and Distribution. Ed. 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