IMPLEMENTACION DEL METODO DE VOLUMEN DE IMPLEMENTACION DEL METODO DE VOLUMEN DE COLECCI COLECCIÓN PARA LA PROTECCION CONTRA N PARA LA PROTECCION CONTRA DESCARGAS ELECTRICAS ATMOSFERICAS EN LA DESCARGAS ELECTRICAS ATMOSFERICAS EN LA TDGL POZA RICA TDGL POZA RICA TESINA TESINA PARA OBTENER EL TITULO DE : PARA OBTENER EL TITULO DE : INGENIERO MECANICO ELECTRICISTA INGENIERO MECANICO ELECTRICISTA PRESENTAN: PRESENTAN: ANGELES SANCHEZ JESUS MOISES ANGELES SANCHEZ JESUS MOISES MORA GALICIA LUIS DAVID MORA GALICIA LUIS DAVID POZA RICA DE HGO. VERACRUZ 2010 POZA RICA DE HGO. VERACRUZ 2010 UNIVERSIDAD VERACRUZANA UNIVERSIDAD VERACRUZANA FACULTAD DE INGENIERIA MECANICA ELECTRICA FACULTAD DE INGENIERIA MECANICA ELECTRICA ZONA POZA RICA ZONA POZA RICA - TUXPAN TUXPAN IMPLEMENTACION DEL METODO DE VOLUMEN DE IMPLEMENTACION DEL METODO DE VOLUMEN DE COLECCI COLECCIÓN PARA LA PROTECCION CONTRA N PARA LA PROTECCION CONTRA DESCARGAS ELECTRICAS ATMOSFERICAS EN LA DESCARGAS ELECTRICAS ATMOSFERICAS EN LA TDGL POZA RICA TDGL POZA RICA TESINA TESINA PARA OBTENER EL TITULO DE : PARA OBTENER EL TITULO DE : INGENIERO MECANICO ELECTRICISTA INGENIERO MECANICO ELECTRICISTA PRESENTAN: PRESENTAN: ANGELES SANCHEZ JESUS MOISES ANGELES SANCHEZ JESUS MOISES MORA GALICIA LUIS DAVID MORA GALICIA LUIS DAVID POZA RICA DE HGO. VERACRUZ 2010 POZA RICA DE HGO. VERACRUZ 2010 UNIVERSIDAD VERACRUZANA UNIVERSIDAD VERACRUZANA FACULTAD DE INGENIERIA MECANICA ELECTRICA FACULTAD DE INGENIERIA MECANICA ELECTRICA ZONA POZA RICA ZONA POZA RICA - TUXPAN TUXPAN
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Protección contra descargas eléctricas atmosféricas
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IMPLEMENTACION DEL METODO DE VOLUMEN DE IMPLEMENTACION DEL METODO DE VOLUMEN DE
COLECCICOLECCIÓÓN PARA LA PROTECCION CONTRA N PARA LA PROTECCION CONTRA
DESCARGAS ELECTRICAS ATMOSFERICAS EN LA DESCARGAS ELECTRICAS ATMOSFERICAS EN LA
TDGL POZA RICATDGL POZA RICA
TESINATESINA
PARA OBTENER EL TITULO DE :PARA OBTENER EL TITULO DE :
Ruptura de la membrana del tímpano o Pérdida temporal de la audición.
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Algunas estadísticas permitirían establecer el peligro debido a las descargas
atmosféricas:
Hay un promedio de estimado de más de 15000 Muertes al año y más de
100000 heridos por culpa de las descargas atmosféricas. Por ejemplo en
EEUU, mueren al año 1 persona por cada millón de habitantes y con un
promedio de 100 al año.
Además se generan unas pérdidas económicas en el mundo del orden de
2000 millones de dólares al año, con especial énfasis en los gastos
originados por incendios forestales.
Y de la muerte o daño a personas, las estadísticas establecen que casi la mitad se
producen por la exposición en campo abierto y casi un 25% por buscar cobijo
debajo de árboles.
Las descargas atmosféricas son la segunda causa de muerte por eventos naturales,
después de las inundaciones.
A continuación se presentan algunas fotografías de los daños físicos
producidos en estructuras no protegidas o no correctamente protegidas, por
culpa de descargas atmosféricas.
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3.14 PROTECCION CONTRA RAYOS
Los sistemas de protección contra rayos, buscan minimizar los daños
ocasionados por las descargas atmosféricas. No existe un sistema 100%
efectivo y por eso se establecen riesgos aceptables de daño y en función de
ellos una eficiencia del sistema.
Un sistema de protección contra rayos está compuesto por tres elementos
fundamentales que forman una cadena en la que ningún eslabón funciona
correctamente sin el otro. Estos son: El sistema de captación (terminales
aéreos), el sistema de conducción (bajantes) y el sistema de drenaje (puesta a
tierra). Y por último en casos de protección extrema, deben añadirse los
sistemas de protección contra sobretensiones y las mallas de tierra y
equipotencialización para evitar tensiones de toque y paso peligrosas.
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3.15 PROTECCIÓN CONVENCIONAL
Este esquema fue propuesto a nivel conceptual por Franklin hace más de 250
años. Se basa en la ubicación de elementos conductores (puntas), por encima
de todos los objetos existentes en la parte superior de la estructura a proteger.
Su ubicación se realiza de acuerdo al método electrogeométrico planteado por
Whitehead para determinar la efectividad del apantallamiento.
En éste método se pretende que los objetos a ser protectivos sean menos
atractivos a las descargas atmosféricas que los elementos captadores; esto se
logra determinando el radio de atracción que tiene un objeto frente a la
descarga, que conceptualmente corresponde a la última longitud del líder de la
descarga antes de formar el canal de retorno. Dicha distancia es función de la
energía del rayo y por lo tanto de la corriente que este drenará.
Así se formula la siguiente relación entre esta distancia y la magnitud de la
descarga.
Con I en kA. R = 10 * I0.65 (m)
Esta distancia es fijada por la normativa, según la eficiencia del sistema tal
como se muestra en la siguiente tabla.
Nivel de protección Distancia R de atracción (m)
I 20
II 30
III 45
IV 60
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Por ejemplo, según la relación entre R e I expuesta anteriormente, la R para el
nivel III, corresponde a una corriente I de 10 kA.
Esto implica que para garantizar un sistema más eficiente, se trabaja con
menores magnitudes de corriente, lo que implica menores radios de atracción. La
forma en como se implementa el método es relativamente sencilla y es
precisamente como su nombre lo indica, una esfera rodante “rolling sphere”.
Esta esfera se hace rodar alrededor de la estructura a proteger y con ella se
definen las zonas de protección y las ubicaciones de los elementos captadores.
El radio de la esfera viene determinado por el valor de la tabla anteriormente
colocada.
Por ejemplo para una Terminal su área de protección sería como se indica en la
siguiente figura.
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3.16 PROTECCIÓN NO CONVENCIONAL
SISTEMAS DE EMISIÓN TEMPRANA
Existen los sistemas de Emisión temprana con el objeto de acelerar o generar
más rápidamente un líder ascendente en las inmediaciones de la punta justo
antes de la iniciación del rayo. De esta forma, este líder ascendente forzado
alcanzaría mayores distancias al momento de producirse el punto de contacto,
aumentando la efectividad del sistema de protección. Al igual que las otras
“mejoras”, este sistema no ha sido validado en campo, a pesar de que los
fabricantes argumentan haber obtenido resultados positivos en laboratorio. Uno
de los aspectos científicos más relevantes contra la utilización de estos
dispositivos es que la micro descarga inicial no siempre garantiza la
propagación del líder ascendente, porque aún cuando se inicie la
micro descarga, el nivel de gradiente de potencial alrededor de la punta
pararrayos necesario para la propagación del líder ascendente es
prácticamente suministrado por la carga contenida en el líder ionizado
descendente. Solo las normativas Francesas y Española, permiten
expresamente la utilización de este tipo de dispositivos.
A nivel mundial existe un gran movimiento tendiente a la eliminación en cuanto a
uso de estos dispositivos, pues se duda de su real eficacia y hay bastantes
registros ligados a fallas en sistemas protegidos con esta tecnología.
El aumento de la zona de protección suministrado por algunos fabricantes, es como
se muestra en la siguiente tabla. Su localización podría llevarse a cabo al igual que
en el caso anterior, utilizando la esfera rodante.
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Nivel de
Protección
D (m)
Sistema
Convencional
Sistema de
Protección
ESE I
Sistema de
Protección
ESE II
I 20 40 75
II 45 55 93
III 60 65 102
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3.17 SISTEMAS DE ELIMINACIÓN
Algunos fabricantes, junto con algunos científicos, han ido mucho más lejos,
proponiendo inclusive dispositivos que “evitan” o “neutralizan” la acumulación
de carga en las celdas correspondientes de la nube (tecnología CTS) a través
de corrientes iónicas que se propagan de la punta aérea a la nube de tormenta,
evitando con ello la formación del líder descendente en el volumen de interés,
que es el paso previo a la iniciación del rayo. Este razonamiento está fuera de
todo contexto científico, ya que los resultados obtenidos en las investigaciones
de los últimos veinte años en la formación del rayo indican que: El plano de
tierra u objetos aterrizados elevados no tienen influencia alguna en la formación
(desde la nube) del líder descendente, siendo esta influencia significativa hasta
la etapa del último paso de la descarga.
BAJANTES (CONEXIÓN ENTRE CAPTADORES Y EL SPAT):
El tema de los bajantes es igual de importante que el de los captadores, pues su
selección adecuada tanto en ruta, como en cantidad, calibre y tipo de material,
va a garantizar que el efectivo trabajo de las terminales aéreas, llegue de forma
segura hasta los sistemas de drenaje en tierra. La siguiente característica es
fundamental en esta etapa:
CANTIDAD DE BAJANTES: Como lo indica la siguiente tabla, la cantidad
mínima de bajantes viene definida según el nivel de protección, por la
siguiente tabla. La relación es la distancia mínima que debe existir entre
bajantes en el perímetro de la superficie a proteger.
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Nivel de Protección Distancia Promedio
I 10
II 15
III 20
IV 25
SUB-TEMA 4.0 SISTEMA DE PROTECCION CONTRA DESCARGAS
ATMOSFERICAS
4.1 EL MÉTODO DE VOLUMEN DE COLECCIÓN CVM
La colocación de las terminales aéreas en estructuras frecuentemente se lleva a
cabo con el Método de la Esfera Rodante (RSM), que se basa en el Modelo
Electro Geométrico (EGM) para la distancia de ruptura. El simple EGM no
representa los principios físicos del proceso de generación del líder ascendente y
la importancia de la altura de la estructura o la geometría de los objetos sobre
dicha estructura. El RSM usa una distancia de ruptura fija, por lo general de 45 m.,
sin tomar en cuenta la altura o ancho de la estructura. Esto significa que a una
estructura con una altura de 5 m. se le asigna la misma área de captura y
probabilidad de ser impactada que a una torre de comunicación de 100 m.
Un modelo electro geométrico mejorado fue inicialmente desarrollado por el Dr. A.
J. Eriksson (1979, 1980, 1987). A fines de los ochenta, el modelo básico de
Eriksson fue ampliado por los científicos e ingenieros de ERICO para su aplicación
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a estructuras prácticas. Esto fue hecho mediante modelado de campos eléctricos
en ordenador alrededor de un amplio rango de estructuras de 3D y mediante la
aplicación del concepto de “elementos de competencia” para determinar si una
estructura se encuentra protegida o no. Este método se ha conocido a nivel
mundial durante muchos años como el Método de Volumen de Colección (CVM).
El CVM considera los criterios físicos de ruptura del aire junto con el conocimiento
de la intensificación del campo eléctrico creado por los diferentes puntos en una
estructura. Entonces, el CVM usa esta información para proporcionar el sistema
óptimo de protección contra caída de rayos para una estructura, es decir, la
ubicación más eficaz de las terminales aéreas para un nivel de protección
seleccionado.
El Método de Volumen de Colección define el “volumen
de captura de rayos de puntos de caída potenciales de
una estructura”.
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Usando el enfoque moderno de evaluación del riesgo, el resultado del CVM
depende de los niveles de protección seleccionados por el usuario. Los niveles de
protección típicos se encuentran en el rango de 84-99%. Estos valores se toman
de una distribución estándar de la corriente de pico de los rayos.
La cantidad de impactos capturados por el sistema de protección en estructuras
involucradas en este estudio se obtuvieron de los "contadores de eventos de
descargas atmosféricas” (LEC) ubicados sobre el conductor de bajada del sistema
de protección contra descargas atmosféricas. En general, estimaciones del
“rendimiento” demuestran que la tasa de intercepción predicha por el CVM se
encuentra en una excelente conformidad con la frecuencia observada de captura.
Esto significa que la tasa de intercepción de la descarga atmosférica es por lo
menos tan alta como los niveles de protección declarados, que oscilan entre 85 –
98%.
Las descargas atmosféricas pueden ser devastadoras. Además del peligro para
las personas, es una causa importante de costosas fallas en los equipos
electrónicos y la interrupción onerosa de la actividad comercial.
Por lo general, el punto más alto de una instalación es el lugar más vulnerable a
ser objeto del impacto de una descarga atmosférica. Los pararrayos o terminales
aéreas son necesarios para capturar la descarga atmosférica en un lugar
específico y dirigir la energía en forma segura a tierra para minimizar el riesgo.
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ERICO ha desarrollado el ERITECH SYSTEM 3000 un avanzado sistema de
protección contra descargas atmosféricas. Este sistema innovador se ha utilizado
en más de 15,000 instalaciones en todo el mundo. Instalaciones de PEMEX en
México son un ejemplo de la aptitud del sistema para una amplia variedad de tipos
de estructuras.
A medida que el relámpago se acerca a la torre, se puede ver la DYNASPHERE
lanzar un líder continuo ascendente para interceptar el relámpago que cae (el líder
descendente).
4.2 PROCEDIMIENTO DE CÓMPUTO DEL CVM
Se proporciona una descripción detallada de los cálculos que son la base del
Método de Volumen de Colección (CVM) para posicionar las terminales aéreas en
las estructuras y alrededor de los sitios e instalaciones para protección contra las
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descargas de relámpago de nube-a-tierra. La mayor parte de la base teórica y
científica del CVM se enfoca principalmente en aspectos computacionales.
Se deben entender desde el principio que la naturaleza científica más avanzada
del CVM significa que no puede llevarse a cabo con cálculos triviales que
involucran formulas analíticas simples. El volumen de la colección de cada punto
de interés se determina mediante los cálculos numéricos e iterativos, es decir, los
cálculos se realizan en diferentes posiciones verticales y laterales del líder
descendente.
Por lo tanto, el objetivo general es proporcionar un procedimiento para los
cálculos numéricos del volumen de la colección y el radio de atracción de un punto
especificado.
En la próxima sección, el procedimiento del cómputo para el CVM se describe de
una manera gradual
Usando la información crucial resumida del CVM, el procedimiento de cálculo
global es como sigue:
I. Especifique todos los objetos de elevada altura, la anchura y forma, y todas
las características estructurales.
II. Identifique las características competentes “más probables” (características
externas con puntas agudas).
III. Seleccione el número, la localización y la altura de las terminales aéreas
(usando un cálculo aproximado del área atractiva de cada uno).
IV. Especifique los parámetros físicos básicos:
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La carga del líder descendente / la corriente de la cresta probable / el
nivel de protección, según Tabla 1 o similar;
Altura de la base de nube;
La elevación o la altitud del sitio sobre nivel del mar y aplica el factor
de corrección apropiado al campo de la depresión del aire si fuera
aplicable;
La proporción de velocidad de líder; y
Los factores de intensificación de campo para todas las terminales
aéreas y características competentes.
V. Para todas las terminales aéreas y características competentes nominadas,
calcular el:
El volumen de colección (distancia de la superficie atractiva, usando
el concepto del radio crítico, y la velocidad/el límite de propagación-
basado del líder);
Radio atractivo del punto de intersección de la distancia a la
superficie atractiva (para la carga dada del líder /LPL) y del límite de
la velocidad.
VI. Si la estructura tiene una altura mayor o igual 60 m, aplique al volumen de
colección la reducción apropia de la capacidad normal del ángulo (Tabla 2).
VII. Aplique los radios atractivos o áreas a sus respectivas terminales aéreas y las
características de competencia.
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VIII. Verifique para ver si las áreas de captura de las terminales aéreas se
traslapan completamente las áreas atractivas de todas las características de
competencia (una vista del plan es útil aquí).
XI. Si no hay traslape completo, use más terminales aéreas, o relocalice alguno
existente, y repite los pasos anteriores hasta que el traslapo completo se
logre.
Para garantizar una óptima protección, la colocación y aplicación del SYSTEM
3000 es crítica. El programa de diseño por computadora permite una aplicación
más fácil y confiable del SYSTEMA 3000 tomando en consideración los
parámetros individuales del sitio y las variables requeridas para llevar a cabo un
diseño óptimo usando el CVM.
Diseño por computadora del CVM
4.3 COMPONENTES DEL CVM PARA LA PROTECCIÓN CONTRA
DESCARGAS ATMOSFÉRICAS
La DYNASPHERE es un sistema de protección contra las descargas atmosféricas,
de tecnología avanzada. Las características exclusivas de este sistema permiten
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que la captura y control de la descarga atmosférica sean confiables. La terminal
aérea DYNASPHERE constituye un punto preferido para las descargas
atmosféricas que, de lo contrario, caerían y dañarían una estructura desprotegida
y/o sus contenidos. La DYNASPHERE se encuentra óptimamente conectado a un
conductor de bajada y a un sistema de puesta a tierra de baja impedancia de
modo tal que forma un sistema totalmente integrado. El SYSTEM 3000 incluye los
siguientes elementos:
Terminal aérea DYNASPHERE
Conductor de bajada
Contador de eventos de descargas atmosféricas
Sistema de puesta a tierra de baja impedancia especialmente diseñado
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4.3.1. TERMINAL AÉREA DYNASPHERE
La función principal de una terminal aérea, o sistema aéreo de captación, es
capturar la descarga atmosférica hacia un punto preferido, de modo tal que la
corriente de descarga pueda dirigirse a través del/los conductor/es de bajada
hacia el sistema de puesta a tierra.
TERMINAL AÉREA OPTIMIZADA
La DYNASPHERE es una terminal aérea optimizada patentada.
Sus características incluyen:
Tecnología no radioactiva
No necesita fuente de alimentación externa
No hay piezas móviles
Selección de los radios de la punta y de la impedancia variable con el fin de
obtener rendimiento óptimo a diferentes alturas de instalación.
Respuesta dinámica al acercarse un líder descendente
PRINCIPIOS DE DYNASPHERE
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Durante más de 200 años, se han hecho pocas mejoras en los sistemas de
protección contra descargas atmosféricas. Sin embargo, los métodos modernos de
investigación y registro han llevado a un mejor entendimiento del proceso de la
descarga atmosférica, y se han obtenido diversos avances en la simulación de las
condiciones de campo eléctrico por descarga atmosférica.
Fase estática de la tormenta
Durante la fase dinámica de la tormenta, en el acercamiento del líder
descendente, la semiesfera o domo del ERITECH DYNASPHERE aumentará su
voltaje a través de un acoplamiento capacitivo. Cuando el voltaje es lo
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suficientemente alto, se crea un arco a través del entrehierro entre la esfera y la
punta aterrizada.
Fase dinámica de la tormenta
El arco tiene dos efectos:
I. genera un gran número de electrones libres necesarios para iniciar una
trayectoria ionizada ascendente
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II. genera un incremento “fijo” en el campo eléctrico sobre la terminal aérea, lo
cual otorga la energía adicional para iniciar y convertir un líder ascendente
de fuerte propagación
Estos dos efectos generan la propagación estable del líder para ayudar a
garantizar la captura confiable del rayo. El tamaño del entrehierro se optimiza para
que el arco de disparo sólo tenga lugar cuando el campo eléctrico ambiental sea lo
suficientemente alto para garantizar que se pueda desarrollar un líder ascendente
estable para interceptar de forma exitosa el líder descendente.
Fase de disparo controlado del canal de recepción ascendente
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La DYNASPHERE se ha diseñado para cumplir con los criterios necesarios para la
emisión controlada de un canal de recepción ascendente. El concepto de
"controlado” es importante porque no es eficaz lanzar un canal de recepción
ascendente anticipado – el campo ambiental no será lo suficientemente alto para
convertir al canal de recepción ascendente en un líder y el canal de recepción
ascendente no se propagará. Esto dejará una carga espacial detrás que puede
inhibir futuros intentos de iniciación.
Dos conceptos fundamentales han emergido de estos avances en el proceso de
captura de rayos y el rendimiento de las terminales aéreas:
Las terminales aéreas que generan cantidades copiosas de corona (carga
espacial) son menos eficaces como receptores de la descarga atmosférica.
Una terminal aérea óptima es aquella que lanza un canal de recepción
ascendente o trayectoria ionizada ascendente cuando el campo eléctrico
ambiental se encuentra en un nivel adecuado para soportar la propagación
continua del líder.
La DYNASPHERE ha sido desarrollada con estos dos conceptos en mente. La
DYNASPHERE es una punta Franklin optimizada con un domo semiesférico que
se acopla capacitivamente al campo eléctrico de un líder descendente que se
acerca.
Este domo conductivo esférico rodea a una punta central aterrizada. El domo está
aislado de la punta pero se conecta a tierra a través de una impedancia dinámica
variable con conducción de CC.
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La DYNASPHERE se encuentra aislada de la estructura usando un mástil de
soporte aislado. El mástil también ayuda a permitir la conexión segura del
conductor de bajada a la terminal aérea.
4.3.2. EL CONDUCTOR DE BAJADA A TIERRA
La función de un conductor de bajada es proporcionar una vía de baja impedancia
desde el sistema aéreo de captación al sistema de puesta a tierra de forma tal que
la corriente del rayo pueda dirigirse hacia la tierra sin el desarrollo de voltajes
excesivamente altos. A fin de disminuir la posibilidad de chispas peligrosas
(arqueos laterales), la/s ruta/s del conductor de bajada deber ser tan directa como
sea posible sin curvas pronunciadas o puntos de esfuerzo en los cuales se
incrementa la inductancia y, por lo tanto, la impedancia, bajo condiciones de
impulso.
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Como una parte integral de la DYNASPHERE, el conductor de bajada aislado y
blindado transporta la corriente del rayo a tierra con un mínimo riesgo de arqueo.
Una cubierta exterior semiconductiva permite la unión electroestática del edificio a
través de elementos de fijación del cable.
Este cable está compuesto por materiales dieléctricos seleccionados
cuidadosamente, lo cual crea un balance capacitivo y ayuda a garantizar la
integridad del aislamiento bajo condiciones de impulso alto.
Para comprender el valor técnico del cable, es primero necesario revisar los
problemas relacionados con los conductores de bajada normales. Un valor de
inductancia de 1,6 μH/m es normalmente considerado como bastante pequeño.
Sin embargo, cuando se imprime una corriente la cual se incrementa en un valor
de 1010 Amperes por segundo, el efecto de esta inductancia se convierte en
primordial. Como ejemplo, un solo conductor de bajada de 60 metros alcanzará un
valor por encima de 1.000.000 de Volts con la aplicación de una descarga
promedio. Esta es la razón por la cual el conductor de bajada posee una ventaja
significativa sobre los conductores de bajada convencionales.
El conductor de bajada es un cable de baja inductancia, baja impedancia
diseñado para minimizar la elevación de tensión debido a impulsos provenientes
de rayos. Este cable tiene un comportamiento significativamente mejor que
cualquier otro cable HV normal y está diseñado especialmente para el control de
los impulsos de la descarga.
El peligro principal en el control de los impulsos por rayo es el incremento de
tensión muy rápido y los tiempos de incremento de corriente posteriores a la
captura del rayo.
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Para comprender aún más el valor técnico del cable, es necesario revisar el
mecanismo de la descarga y la elevación de tensión resultante. La tensión entre el
conductor interno y la cubierta externa se determina mediante tres parámetros
diferentes. Éstos son dominantes en diferentes etapas durante la operación del
cable al transportar la energía del rayo hacia tierra (como se muestra en la Tabla
de forma de onda típica del rayo).
PRINCIPALES BENEFICIOS
El impulso del rayo se contiene dentro del cable y la cubierta exterior
semiconductiva se interconecta a la estructura a través de abrazaderas
metálicas, lo cual significa que el riesgo de arqueos es insignificante
La baja impedancia característica del cable minimiza una falla dieléctrica
interna
El cable puede colocarse lejos de equipos sensibles, cableado eléctrico,
acero estructural y áreas de trabajo de seres humanos
Uso de un solo conductor de bajada en lugar de varios conductores de
bajada
Facilidad de instalación
Mantenimiento mínimo
4.3.3 CONTADOR DE EVENTOS DE DESCARGAS ATMOSFÉRICAS
El contador de eventos de descargas atmosféricas (LEC IV) es un dispositivo para
el registro a número de descargas atmosféricas que el Sistema ha interceptado.
El diseño de este contador permite muchas alternativas en la instalación del
conductor de bajada a tierra como se explica más adelante en el texto.
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Debe considerarse lo siguiente antes de la instalación del contador de eventos de
descargas atmosféricas evento contra el rayo:
Es aconsejable para localizar la LEC IV en una zona segura que no es propensa a
Contacto con objetos en movimiento, el robo, o Vandalismo.
Si la LEC IV es encapsulada en un recinto adicional, asegúrese de que sea
montada para facilitar el acceso a la pantalla.
Terminación de barra distribución y varilla de tierra
ABRAZADERA
PARA MANGUERA
2.5MM (12AWG)
LINEA DE COBRE
HACIA EL SISTEMA A TIERRA
VARILLA A
TIERRA
ERICORE
LEC IV
ERICORE
ABRAZADERA
DE VARILLA
BARRA DE
DISTRIBUCION
DE COBRE
TERMINAL DE
COMPRESION
TAPA DE
COBRE
TERMINACION MAS BAJA
QUE SE LIMITARA ALA
IMPERMEABILIZACION DEL
MASTIL
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Terminacion para el conductor pararrayos
4.3.4. SISTEMA DE TIERRAS
El sistema de puesta a tierra debe contar con baja impedancia para dispersar la
energía de la descarga atmosférica. Puesto que la descarga atmosférica consiste
en componentes de alta frecuencia, nos preocupa específicamente el parámetro
eléctrico dependiente de la frecuencia del sistema de puesta a tierra – impedancia
así como también la puesta a tierra de baja resistencia.
LEC IV
TERMINACION INFERIOR
DEL CONDUCTOR
PARARAYOS UNIDA EN
UN MASTIL
IMPERMEABILIZADO
HOYO EN SUELO
ERITECH VARILLA A TIERRA
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Los sistemas de puesta a tierra son altamente variables entre sitios debido a las
consideraciones geográficas. La malla de puesta a tierra debe minimizar el
incremento del potencial del voltaje a tierra y reducir el riesgo de lesiones al
personal o daños a los equipos.
Estos componentes forman una parte integral del Plan de Protección de Seis
Puntos de ERICO. Cada componente debe considerarse independiente y
definitivamente integrado para formar el sistema completo de protección contra
descargas atmosféricas. Sin esta integración se conforma una protección limitada.
Si bien es posible implementar un sistema híbrido usando otros componentes, es
importante considerar que las ineficacias en cualquier reemplazo representan una
ineficacia en el sistema de protección como un todo.
FUNCIONES PRINCIPALES DEL SISTEMA DE TIERRA:
1. Proveer un medio seguro para proteger al personal en la proximidad de
sistemas o equipos conectados a tierra, de los peligros de una descarga
eléctrica bajo condiciones de falla.
2. Proveer un medio para disipar las corrientes eléctricas a tierra, sin que se
excedan los límites de operación de los equipos.
3. Proveer una conexión a tierra para el punto neutro de los equipos que así lo
requieran (Transformadores, Reactores, etc.).
4. Proveer un medio de descarga y desenergización de equipos antes de
proceder a tareas de mantenimiento.
5. Facilitar mediante la operación de relevadores y otros dispositivos de
protección, de eliminación de fallas a tierra en el sistema.
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COMPONENTES BÁSICOS DE UN SISTEMA DE TIERRA.
El sistema de tierra de una subestación se integra con los siguientes elementos:
Conductores
Varillas o electrodos de tierra
Conectores o juntas
CONDUCTORES
Sirven para formar el sistema de tierra y para la conexión a tierra de los equipos.
Los conductores empleados en los sistemas de tierra son generalmente cables
concéntricos formados por varios hilos y los materiales empleados en su
fabricación son: el cobre, cobre estañado, copperweld (acero recubierto con
cobre), acero, acero inoxidable, acero galvanizado o aluminio.
El factor principal en la selección del material es la característica de resistencia a
la corrosión que presenta al estar enterrado.
El cobre es la selección más común para los conductores, ya que es económico y
tiene buena conductividad, además de ser resistente a la corrosión y a la fusión.
VARILLAS O ELECTRODOS DE TIERRA.
Estos elementos se clavan en el terreno y sirven para encontrar zonas más
húmedas y por lo tanto con menor resistividad eléctrica en el subsuelo. Los
materiales empleados en la fabricación de varillas o electrodos de tierra son
generalmente el acero, acero galvanizado, acero inoxidable y copperweld.
Como en los conductores, la selección del material dependerá del de las
características de resistencia a la corrosión que presenten al estar enterrados. El
copperweld es el material mas empleado en las varillas de tierra ya que combinan
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las ventajas del cobre con la alta resistencia mecánica de acero, tiene buena
conductividad, resistencia a la corrosión y buena resistencia mecánica para ser
clavada en el terreno.
CONECTORES O JUNTAS.
Son los elementos que nos sirven para unir los conductores del sistema de tierra,
para conectar las varillas a los conductores y para la conexión de los equipos, a
través de los conductores al sistema de tierra.
Los conectores utilizados en los sistemas de tierra son generalmente de dos tipos:
A) Conectores a presión.
B) Conectores soldables
Los conectores a presión son todos aquellos que mediante presión mantienen en
contacto a los conductores. En este tipo están comprendidos los conectores
atornillados y los de compresión.
Los conectores a presión deberán diseñarse para una temperatura máxima de 250
a 350 ºC.
Los conectores soldables son aquellos que mediante una reacción química
exotérmica, los conductores y el conector se soldan en una conexión molecular.
Este tipo de conector, por su naturaleza, soporta la misma temperatura de fusión
del conductor.
Los conectores deberán seleccionarse con el mismo criterio con que se
seleccionan los conductores, además tendrán las siguientes propiedades:
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A) Tener dimensiones adecuadas, para absorber el calentamiento que se
produce al circular por él corrientes elevadas. (Resistente a la fusión).
B) Tener suficientemente asegurados a los conductores para soportar los
esfuerzos electrodinámicos originados por las fallas, además de no permitir
que el conductor se mueva dentro de él.
CARACTERÍSTICAS DE LOS ELEMENTOS DEL SISTEMA DE TIERRA.
Cada elemento del sistema de tierra deberá tener las siguientes características:
A) Resistencia a la corrosión. Para retardar su deterioro en el ambiente donde
se localice.
B) Conductividad eléctrica. De tal manera que no contribuya sustancialmente
con diferencias de potencial en el sistema de tierra.
C) Capacidad de conducción de corriente. Suficiente para soportar los
esfuerzos térmicos durante las condiciones más adversas impuestas por la
magnitud y duración de las corrientes de falla.
D) Resistencia mecánica. De tal manera que soporte esfuerzos
electromecánicos y daño físico.
Simbología
CONDUCTOR DE TIERRA.
VARILLA DE TIERRA
CONECTOR
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DISPOSICIONES BÁSICAS DE LAS REDES DE TIERRA.
Se han considerado básicamente tres sistemas:
SISTEMA RADIAL.
Este sistema consiste en uno o varios electrodos de tierra a los cuales se
conectan la derivación de cada uno de los equipos. El sistema radial es el menos
seguro, se producen elevados gradientes de potencial.
Sistema radial
SISTEMA EN ANILLO.
El sistema en anillo se obtiene colocando en forma de anillo un conductor de
suficiente calibre alrededor de la superficie ocupada por los equipos de la
subestación. Al anillo se conectan las derivaciones de cada uno de los equipos
usando un conductor de calibre más delgado. En los vértices del anillo se instalan
varillas o electrodos de tierra. Este sistema es más eficiente que el sistema radial,
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ya que los potenciales disminuyen al disiparse la corriente de falla por varias
trayectorias en paralelo.
SISTEMA EN ANILLO
SISTEMA DE MALLA.
El sistema de malla es el más usado actualmente en las subestaciones eléctricas.
Consiste, como su nombre lo indica, en un arreglo de conductores perpendiculares
formando una malla o retícula, a la cual se conecta las derivaciones de cada uno
de los equipos.
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En el perímetro de la malla generalmente se colocan varillas o electrodos de tierra.
Este sistema es el más eficiente ya que se limitan los potenciales originados por la
circulación de la corriente de falla.
SISTEMA DE MALLA
INSTALACIÓN DE SISTEMAS DE TIERRA
Antes de la instalación a tierra de los sistemas protección contra rayos, es
importante hacer referencia en el plano todos los sitios de los servicios.
Se debe tener cuidado de seguir el diseño en el terreno. Asegurar que los
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materiales correctos han sido suministrados para lograr un aceptable resistencia
de tierra DC (generalmente <10 ohm s).
Ejemplos típicos de sistemas de tierra que pueden utilizarse (Nota: estos pueden
o no ser pertinentes a la especificidad del sistema) se muestran en las figuras 1 y
2 siguientes.
Sillas de montar
ERICORE
Hoyo de suelo
La terminación inferior
(Determinada en mastil
Impermeabilizado)
Cinta de cobre en tierra Longitud típica, mínima de 5 metros (17 pies). (Longitudes dependen de la lectura de resistividad del suelo) a 600 mm (24 pulgadas) de profundidad.
Evento relámpago
Contador - LEC IV
Cada zanja se trata
con ERITECH o GEM
Aumento de los
compuestos
Evento relámpago
Contador - LEC IV
Varillas de tierra fija o
Cadwelded a tierra de
cinta de cobre.
Evento relámpago
Contador - LEC IV
Contador de eventos de
relámpago -LEC IV
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Figuras 1 y 2. Radial de tierra
Sillas de montar
ERICORE
La terminación inferior
(Determinada en mastil
Impermeabilizado)
Contador de
eventos de
relámpago -LEC IV
Evento
relámpago
Contador -
LEC IV
Hoyo en suelo
ERITECH en terreno varillas sujetas a cinta de cobre en
tierra Cinta de la red de tierra de cobre 5000 x 5000mm (17 x 17ft.) más si es necesario para garantizar que está por debajo de la línea
de las heladas.
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Página 118
SUB-TEMA 5.0 ESTUDIO TECNICO ECONOMICO
5.1 INTRODUCCION.
Actualmente, el país cuenta con la experiencia necesaria para diseñar e implantar
en los contratos de obras mecanismos de ajuste de costos ágiles y de fácil
aplicación pero lo que es increíble es que esta experiencia no se aplica en
ocasiones a su tiempo, ni adecuadamente a las empresas constructoras. Es por
eso que si alguna persona física o una empresa tiene por objeto realizar una obra
tiene las siguientes alternativas:
POR CONCURSO.- Se invita a dos o más empresas constructoras a concursar
sobre “X” proyecto y el criterio de adjudicación es, para el que presente el precio
mas bajo, tomando en cuenta la seriedad de la empresa.
POR ASIGNACIÓN.- En este tipo de contratación, el cliente decide quien
construirá la obra en base al catalogo de precios que el mismo impone.
En relación con la forma de pagos de contratos, utiliza cualquiera de las 3 clases
de contrato siguientes:
A).- POR PRECIOS UNITARIOS.- En el contrato aparecerán los conceptos a
realizar, la unidad, los volúmenes de obra y precios unitarios de cada concepto
B).- POR PRECIO ALZADO O FIJO.- En este se fija el importe total de la obra, el
contratista tiene que realizar la obra con el mismo importe independientemente sin
en el periodo de ejecución los materiales, mano de obra o equipo sufren
incrementos en sus costos.
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Página 119
C).- POR ADMINISTRACIÓN.- Se caracteriza principalmente porque la utilidad del
contratista se obtendrá aplicando un porcentaje sobre la cantidad total erogada.
El tipo de contratación mas usual en la construcción mexicana es por precios
unitarios y por el tipo de pagos es por administración, el precio alzado de hecho se
descarta debido al índice inflacionario.
Una de las etapas de gran importancia dentro de la planeación de la obra eléctrica
es la elaboración de los precios unitarios para tener un presupuesto global de la
obra.
Este capítulo tiene como objetivo evaluar todos los factores y elementos que
intervienen en la ejecución de los trabajos correspondientes, así como también al
personal, equipo, materiales, gastos de administración, de campo, de oficina, así
como también los impuestos y contribuciones.
5.2 CARGOS QUE INTEGRAN EL PRECIO UNITARIO
Los cargos que integran el precio unitario son:
CARGOS DIRECTOS
CARGOS INDIRECTOS
UTILIDAD
CARGOS ADICIONALES
En la siguiente grafica se representan estos cargos y el porcentaje aproximado
con el que participan para la integración del precio unitario:
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5.2.1 CARGOS DIRECTOS
Son los cargos aplicables al concepto de trabajo que se derivan de las
erogaciones por materiales, mano de obra, maquinaria, herramienta, instalaciones
y por patentes en su caso, efectuadas exclusivamente para realizar dicho
concepto de trabajo.
CARGO DIRECTO POR MATERIALES.- Es el correspondiente a las erogaciones
que hace “El Contratista” para adquirir o producir todos los materiales necesarios
para la correcta ejecución del concepto de trabajo que cumpla con las normas de
construcción y especificaciones de “La Dependencia” o “Entidad”, con excepción
de los considerados en los cargos por maquinaria. Los materiales que se usan
podrán ser permanentes o temporales. Los primeros son los que se incorporan y
CARGOS
DIRECTOS
50%- 70%
CARGOS
ADICIONA-
LES 3%-5%
UTILIDAD
10%-15%
CARGOS
INDIRECTOS
17%-35%
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forman parte de la obra., los segundos son los que se consumen en uno o varios
usos y no pasan a formar parte integrante de la obra.
El cargo unitario por concepto de materiales “M” se obtendrá de la ecuación:
M = Pm x C
Donde:
Pm = representa el precio del mercado mas económico por unidad de material que
se trate, puesto en el sitio de su utilización.
C = representa el consumo de materiales por unidad de concepto de trabajo.
CARGOS POR MANO DE OBRA.- Es el que se deriva de las erogaciones que
hace “El Contratista,” por el pago de salarios al personal que interviene exclusiva y
directamente en la ejecución del concepto de trabajo que se trate, incluyendo al
cabo o primer mando.
El cargo de mano de obra “Mo” se obtendrá de la ejecución:
Mo = S / R
En la cual:
S = representa los salarios del personal que interviene en la ejecución del
concepto de trabajo por unidad de tiempo. Incluirá todos los cargos y prestaciones
derivados de la Ley Federal de Trabajo, de los Contratos de Trabajo en vigor y en
su caso de la Ley del Seguro Social.
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R= representa al rendimiento, es decir, el trabajo que desarrolla el personal por
unidad de tiempo medido en la misma unidad utilizada al valuar S.
Los factores que afectan al salario base por jornada para obtener el salario real
que es lo que la empresa erogara por jornada trabajada. La afectación de estos
factores agrupados se le conoce como factor de salario real, y es la relación entre
los días pagados, incluyendo prestaciones y los días trabajados.
CARGO POR HERRAMIENTA DE MANO.- Este cargo corresponde al consumo
por desgaste de herramientas de mano utilizadas en la ejecución del concepto de
trabajo.
Este cargo se calculara mediante la fórmula:
HM = KH x Mo
KH = representa un coeficiente cuya magnitud se fijara en función del tipo de
trabajo de acuerdo a la experiencia.
Mo = representa el cargo unitario por concepto de mano de obra.
NOTA: Aunque la Ley no lo menciona, el coeficiente KH varía de 2% a 5%.
CARGO DIRECTO POR MAQUINARIA.- Es el que se deriva del uso correcto de
las maquinas consideradas como nuevas y que sean las adecuadas y necesarias
para la ejecución del concepto de trabajo, de acuerdo a lo estipulado en las
normas y especificaciones de construcción de “La Dependencia” o “Entidad” y
conforme al programa de trabajo establecido.
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El cargo directo unitario por maquinaria CM se expresa como el coeficiente de
costo horario directo de las maquinas, entre el rendimiento horario de dichas
maquinas. Se obtendrá mediante la ecuación:
CM = HDM / RM
Donde:
HMD = representa el costo directo de la maquinaria
RM = representa el rendimiento horario de la maquina expresado en la unidad que
se trate.
El cargo directo por maquinaria se compone de:
Cargos fijos
Cargos por consumos
Cargos por salarios para la operación.
5.2.2 CARGOS INDIRECTOS.
Corresponden a los gastos generales necesarios para la ejecución de los trabajos
no incluidos en los cargos directos que realiza el contratista, tanto en sus oficinas
centrales como en la obra, y que comprenden entre otros, los gastos de
Davis, Charles. “Lightning and Fiber Optics, Transmission and Distribution”,
World Espo 92, Indianapolis, IN, 1992. Eriksson, A.J. “The Incidence of Lightning Strikes to Power Lines”, IEEE
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ANEXOS
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Página 136
ANEXO 1
-9
-8
-7
-6
-5
-4
-3
-2
-1
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
Orden diferencial de potencial
Figura 1: diferencia de potencial contra diferencia de temperatura
hecho para dos hielos de agua destilada
+5 -50
Prueba de temperatura de hielo
Dife
renc
ia de
tem
pera
tura
gra
dos c
entíg
rado
s
0 30 40 50 00 10 50 30 100
1 minuto
UNIVERSIDAD VERACRUZANA
Facultad de Ingeniería Mecánica Eléctrica
Sustentantes:
Jesús Moisés Ángeles Sánchez
Luis David Mora Galicia
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ANEXO 2
--1
0
-1
-2
-3
-4
-5
-6
Orden diferencial de potencial
Figura 2: diferencia de potencial contra diferencia de temperatura
hecho para hielo de agua ( en proceso) y hecho de hielo de. NaCl en
una varilla.
+1 -10
Difer
encia
de te
mpera
tura g
rados
cent
ígrad
os
1/2 -1/2
con contacto
Sin contacto
Orden diferencial de potencialprueba
de temperatura de hielo – 26.3
0 30 40 50 00 10 50 30 100
UNIVERSIDAD VERACRUZANA
Facultad de Ingeniería Mecánica Eléctrica
Sustentantes:
Jesús Moisés Ángeles Sánchez
Luis David Mora Galicia
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ANEXO 3
-3
-2
-1-
0
1
2
Orden diferencial de potencial
Figura 3: diferencia de potencial contra diferencia de temperaturade.
NaCl en una varilla.
+1 -10
Dife
renc
ia d
e te
mpe
ratu
ra g
rado
s ce
ntíg
rado
s
1/2 -1/2
Prueba de tem. – 23.2 ºC
Sin contacto
0 30 40 50 00 10 50 30 100
con contacto
UNIVERSIDAD VERACRUZANA
Facultad de Ingeniería Mecánica Eléctrica
Sustentantes:
Jesús Moisés Ángeles Sánchez
Luis David Mora Galicia
Implementación del método de volumen de colección para la protección contra descargas