Tesis Completa - Gabriel Lozano Cervantes

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INDICE iv

INDICE

Capitulo 1

1 Generalidades y conceptos básicos Pag.2

1.1 Descarga atmosférica, Definición Pag.2

1.2 Fuentes de descargas atmosféricas Pag.4

1.2.1 Nube Cumulonimbus Pag.4

1.3 Parámetros físicos de la descarga atmosférica Pag.5

1.4 Clasificación de las descargas atmosféricas por su Pag.7

punto de descarga.

1.4.1 Nube a nube Pag.8

1.4.2 Nube – aire Pag.8

1.4.3 Intranube Pag.8

1.4.4 Nube – tierra Pag.9

1.4.4.1 Descargas positivas y descargas negativas. Pag.9

1.5 Proceso de la descarga atmosférica y etapas del rayo. Pag.10

1.5.1 Paso 1. Líder descendente. Pag.10

1.5.2 Paso 2. Transición streamer-líder Pag.12

1.5.3 Paso 3. Generación líder ascendente Pag.13

1.5.4 Paso 4. Ultimo paso de la descarga o distancia crítica de

rompimiento. Pag.14

1.5.4.1 Rayo de retorno Pag.15

1.6 Efectos y consecuencias de las descargas eléctricas. Pag.16

1.6.1 Sistemas en riesgo Pag.17

1.6.2 Efecto sobre sistemas Pag.17

1.6.2.1 Seres Vivos. Pag.17

1.6.2.1.1 Potencial de paso y Potencial de contacto. Pag.20

1.6.2.2 Edificios y Estructuras, Fuegos residenciales,

fuegos forestales. Pag.22

1.6.2.3 Equipo Eléctrico y Electrónico. Pag.24

1.6.2.4 Líneas de transmisión y líneas de distribución de energía

eléctrica. Pag.25

1.7 Descargas Atmosféricas, hechos y mitos. Pag.28

INDICE v

1.7.1 Un rayo no cae dos veces en el mismo lugar. Pag.28

1.7.1.1 Nivel Ceraunico Pag.29

1.7.1.2 Densidad de Rayos a Tierra (DRT) Pag.30

1.7.2 Protección ofrecida por neumáticos. Pag.30

1.7.3 Situarse debajo de un árbol durante una tormenta Pag.31

significa un peligro inminente ante la caída de un rayo.

1.7.4 ¿Es posible colectar la energía del rayo? Pag.32

Capítulo 2

2. Protección contra descargas atmosféricas Pag.34

2.1 Inicios Pag.34

2.1.1 Experimento de Benjamín Franklin. Pag.34

2.1.2 Terminales aéreas. Pag.36

2.1.3 Primer Guía de Diseño de Protección. Pag.37

2.2 Métodos de protección contra descargas atmosféricas

basados en el principio del electrodo Franklin. Pag.38

2.2.1 Método del Cono o Angulo de protección. Pag.39

2.2.1.1 Determinación del Ángulo de protección. Pag.42

2.2.1.1.1 Ángulo Optimista Pag.43

2.2.1.1.2 Ángulo de áreas equivalentes. Pag.44

2.2.1.1.3 Ángulo conservador. Pag.44

2.2.2 Modelo Electrogeométrico o Esfera rodante. Pag.46

2.2.2.1 Niveles de protección. Pag.48

2.2.2.2 Análisis Geométrico del Método de la Esfera rodante. Pag.51

2.2.2.3 Evolución de los criterios de protección de la

esfera rodante. Pag.54

2.2.3 Método de la Malla Extendida. Pag.56

2.3 Normatividad Nacional e Internacional referente a los

Sistemas de Protección contra Tormentas Eléctricas. Pag.59

2.3.1 Inicios de la Normatividad. Pag.59

2.3.2 Normas y Recomendaciones. Pag.61

2.3.2.1 Norma Internacional IEC. Pag.62

INDICE vi

2.3.3 Normas y Recomendaciones Extranjeras. Pag.66

2.3.3.1 Aspectos y características principales de las

Normas y Recomendaciones Extranjeras. Pag.67

2.3.3.1.1 NFPA-780, National fire protection association. Pag.68

Standard for the installation of lightning protection system.

2.3.3.1.2 AS/NZS 1768 (2003), Australian / New Zealand Standard.

Lightning Protection. Pag.69

2.3.3.1.3 BS 6651 (1999), British Standard. Code of Practice for

Protection of Structures Against Lightning. Pag.71

2.3.3.1.4 UL 96A (1994), Underwriters Laboratories. Pag.72

Standard for Installation Requirements for Lightning

Protection Systems.

2.3.3.1.5 API 2003 (1998), American Petroleum Institute. Pag.73

Protection Againts Ignitions Arising out of Static, Lightning,

and Stray Currents.

2.3.3.2 Aceptación de riesgo. Pag.74

2.3.3.2.1 IEC 1024-1, IEC 61024-1 (1990). Pag.74

2.3.3.2.2 NFPA 780. Pag.75

2.3.3.2.3 API 2003 (1998). Pag.75

2.3.3.2.4 BS 6651: 1998. Pag.75

2.3.3.2.5 AS/NZS 1768-2003. Pag.75

2.3.4 Normatividad Nacional. Pag.76

2.3.4.1 NOM-022-STPS-1999, Electricidad estática en los Pag.76

centros de trabajo - Condiciones de Seguridad e Higiene.

2.3.4.2 NOM-001-SEDE-2012, Norma Oficial Mexicana. Pag.78

Instalaciones Eléctricas (Utilización).

2.3.4.3 NMX-J-549-ANCE-2012. Sistema de Protección Pag.78

contra Tormentas Eléctricas, Especificaciones,

Materiales y métodos de Medición.

INDICE vii

Capítulo 3

3. Terminales aéreas Convencionales y

no Convencionales. Controversia Mundial. Pag.82

3.1 Protección Convencional de Sistemas contra

Tormentas Eléctricas. Pag.83

3.2 Protección No Convencional de Sistemas contra

Tormentas Eléctricas. Pag.85

3.3 Aplicación de la Protección Convencional de

Sistemas contra Tormentas Eléctricas. Pag.87

3.3.1 Principio de funcionamiento de las terminales

aéreas tipo Franklin. Pag.88

3.3.2 Materiales constitutivos del electrodo Franklin. Pag.90

3.4 Aplicación de la Protección No Convencional de

Sistemas contra Tormentas Eléctricas. Pag.91

3.4.1 Pararrayos Radiactivos Pag.91

3.4.2 Pararrayos ESE (Early Streamer Emission). Pag.93

3.4.2.1 Francia, ESE “estándar”, NFC 17-102 Pag.97

3.4.3 Pararrayos tipo CTS (Charge Transference System). Pag.98

3.4.3.1 Corrientes Corona de los sistemas CTS Pag.99

3.4.3.2 Normatividad internacional referente a los

sistemas CTS. Pag.103

3.5 Aplicación del sistema convencional de protección Pag.106

INDICE viii

Capítulo 4

4 Procedimiento de diseño de un Sistema de

Protección contra Tormentas Eléctricas basado

en la Norma Mexicana NMX-J-549-ANCE-2005.

Aspectos fundamentales del diseño de un

sistema de protección contra tormentas eléctricas. Pag.109

4.1 Valoración de riesgo. Pag.111

4.1.1 Determinación de la frecuencia anual promedio

de rayos directos a una estructura. Pag.111

4.1.2 Mapa del promedio anual de densidad de rayos

a tierra por estados. Pag.112

4.2 Frecuencia anual permitida de rayos directos a

una estructura, Nd. Pag.113

4.2.1 Área equivalente de captura. Pag.115

4.2.2 Evaluación de la necesidad de protección. Pag.125

4.4 Diseño del sistema externo de protección. SEPTE. Pag.126

4.4.1 Método de la Esfera Rodante. Pag.126

4.4.2 Terminales aéreas Pag.130

4.4.3 Número y ubicación de terminales Pag.131

4.4.4 Conductores de bajada. Pag.134

4.4.4.1 Requisitos Pag.135

4.4.4.2 Conductores de bajada naturales. Pag.135

4.4.4.3 Trayectoria de los conductores de bajada y radios

de curvatura. Pag.136

4.4.4.4 Terminales aéreas y conductores de bajada para un Sistema

Externo de Protección Aislado. Pag.139

4.4.4.5 Terminales aéreas y conductores de bajada para un Sistema

Externo de Protección NO Aislado. Pag.140

INDICE ix

4.4.5 Distancia de Seguridad. Pag.142

4.5 Diseño del sistema interno de protección SIPTE Pag.145

4.5.1 Unión equipotencial (UE) Pag.145

4.5.1.1 Elementos para lograr la UE Pag.145

4.5.1.2 UE a nivel externo para un SEPTE aislado Pag.146

4.5.1.3 UE a nivel externo: para un SEPTE no aislado. Pag.148

4.5.1.4 UE a Nivel Interno Pag.153

4.5.1.5 UE y Blindaje Electromagnético. Pag.157

4.5.2 Puesta a Tierra para el Interior del Edificio o

Estructura. Pag.163

4.5.3 Supresor de Sobretensiones Transitorias (SSTT). Pag.167

4.5.3.1 Puntos de Entrada de los Transitorios. Pag.167

4.5.3.2 Descripción de categorías de ubicación de los SSTT. Pag.170

Conclusiones. Pag.176

Anexo1. Proyecto de Aplicación. Diseño de un Sistema Pag.178

de Protección contra Tormentas Eléctricas

basado en la norma NMX-J-549-ANCE-2005. Pag.167

Anexo 2. Planos de Proyecto. Pag.191

Anexo 3. Índice de Tablas. Pag.196

Anexo 4. Índice de Ecuaciones. Pag.197

Anexo 5. Índice de Imágenes. Pag.199

Anexo 6. Glosario de Términos. Pag.204

Anexo 7. Bibliografía Pag.211

Capítulo 1

1 Generalidades y conceptos básicos.

CAPITULO 1. GENERALIDADES Y CONCEPTOS BÁSICOS 2

1 Generalidades y conceptos básicos.

La dependencia que el ser humano tiene con el clima es obvia, ya que éste

tiene serias consecuencias en todas nuestras actividades, desde un buen

clima para las labores agrícolas hasta condiciones de desastre para las

personas y propiedades.

El rayo, o más técnicamente, la descarga eléctrica atmosférica a tierra, es

una condición especial del clima que ha sido objeto, desde tiempos

remotos, de fascinación y miedo, lo que generó el hecho de representar al

rayo como un poder divino en la mitología de casi todos los pueblos del

mundo.

Debido a los conocimientos adquiridos sobre este fenómeno mediante el

análisis, experimentación y observación científica en los últimos siglos, el

rayo ha sido transferido de su posición divina, donde la oración y los ritos

constituyeron los únicos medios de protección, a una simple

manifestación del clima, donde sus propiedades lo ubican como un

fenómeno físico, cuyo entendimiento originó el desarrollo de los medios de

protección conocidos hoy en día.

1.1 Descarga atmosférica,Definición.

La descarga atmosférica conocida como rayo, es la igualación violenta de

cargas de un campo eléctrico que se ha creado entre una nube y la tierra o

entre nubes.

La tierra y la electròsfera, zona conductora de la atmósfera (con una

altura del orden de 50 a 100 Km.), constituyen un condensador esférico

natural que se carga por ionización, originando un campo eléctrico

dirigido hacia el suelo, del orden de varios centenares de volts/metro.


Como el aire es débilmente conductor, existe una corriente de conducción

permanente asociada, del orden de 1500 ampers para todo el globo

terráqueo. El equilibrio eléctrico a esta corriente queda establecido con

descargas por puntas, por las lluvias, y descargas de rayos.

La formación de las nubes, masas de agua en forma de vapor, se

acompaña de fenómenos electrostáticos de separación de cargas: las

partículas ligeras, cargadas positivamente, son arrastradas por las

corrientes de aire ascendentes y las partículas pesadas, cargadas

negativamente, caen por la acción de su propio peso.

Fig.1 Fenómeno electrostático de separación de cargas

Globalmente, a escala macroscópica, se crea un dipolo. Cuando el

gradiente límite de rigidez dieléctrica se supera, se produce una descarga

en el seno de la nube, entre nubes o entre las nubes y el suelo.

En el último de los casos, hablamos de la producción de un rayo.


1.2 Fuentes de descargas atmosféricas.

En la naturaleza las descargas atmosféricas no son solo causadas por las

nubes de descarga, existen también otras fuentes alternas, la causa que

origina estos efectos se debe a la cantidad de energía que es liberada por

los fenómenos que se describen a continuación:

1.2.1 Nube Cumulonimbus.

La teoría generalmente aceptada es la colisión entre partículas ligeras de

cristales de hielo con gotas de agua al punto de congelamiento más

pesadas. Las primeras, después de adquirir una carga positiva producto

de la colisión y debido a lo ligero de su composición, permanecen en la

parte superior de la nube, y las segundas, después de adquirir una carga

negativa y debido a su mayor peso, se localizan en la parte baja de la

nube. La distribución de la carga negativa en la parte baja de la nube de

tormenta induce una carga positiva en el elemento que presenta una

polaridad opuesta a la creada en la parte baja de la nube, ya sea a nivel de

la superficie, objetos metálicos conectados a tierra, nubes adyacentes o en

el mismo interior de la nube, es en este punto cuando se da el proceso de

la descarga.

La nube es de desarrollo vertical excepcionalmente densa, normalmente

de forma de yunque en la parte superior con características visuales

moteadas. La nube es frecuentemente acompañada por fuertes aguaceros,

rayos, truenos y algunas veces de granizo. También conocida como nube

de tormenta.

Existen también otras fuentes de descargas atmosféricas en las cuales por

el movimiento de las partículas de la energía liberada durante la fricción

de las fuerzas que las ocasionan generan rayos; dichas fuentes son:


a) tornados

b) erupciones volcánicas

c) tormentas de arena

d) explosiones nucleares

Fig.2 Formación de la nube de tormenta.

1.3 Parámetros físicos de la descarga atmosférica.

La descarga eléctrica o rayo presentan parámetros físicos tales como:

Un arco eléctrico a gran escala con una energía promedio de 2*105

joules/metro, lo cual lo convierte en una fuente de campos

electromagnéticos, campos electroestáticos y de impulso con

tiempos de subida del orden de 1 microsegundo o mayor.


Las magnitudes de corriente de la descarga eléctrica, se clasifican

estadísticamente mediante el registro de su magnitud y su

frecuencia de ocurrencia, los valores probabilìsticos promedio se

listan a continuación:

• 1% de los rayos exceden los 200 kA.





La frecuencia de ocurrencia es muy importante para determinar el nivel de

seguridad de la protección, a su vez el nivel de seguridad determinara el

numero de terminales pararrayos, esto quiere decir que: para diseñar una

protección en base a una frecuencia de ocurrencia alta se necesitaría un

mayor numero de terminales según el método de la esfera rodante, este

efecto se explicara y desarrollara en los capítulos posteriores a este.

Fig.3 Distribución de la magnitud de la corriente de descarga.


Fig.4 Distribución del tiempo necesario para alcanzar el valor cresta.

1.4 Clasificación de las descargas atmosféricas por su puntode descarga.

Fig.5 Tipos de descargas atmosféricas


1.4.1 Nube a nube

Se le denomina descarga atmosférica de nube a nube al rompimiento de la

rigidez dieléctrica del aire entre nubes adyacentes, este fenómeno ocurre

cuando la diferencia de potencial es mayor entre dichas nubes en

comparación de otros puntos de referencia.

1.4.2 Nube – aire

Este suceso ocurre cuando se da un rompimiento de la rigidez dieléctrica

del aire en dirección nube-aire; el streamer líder (o cuarto paso de la física

de la descarga atmosférica se propaga a tierra fuera de la nube por medio

de pasos discontinuos y discretos con longitudes promedio de 50 metros,

la velocidad a la que se mueve es tan rápida (106 m/s) que no es

perceptible al ojo humano. Este líder descendente escalonado contiene, a

lo largo del canal y principalmente en su punta, una gran cantidad de

carga eléctrica negativa) no contiene la cantidad de carga eléctrica

necesaria como para incidir en algún otro punto de referencia, esta

característica es enfatizada por la distancia y la carga eléctrica del rayo.

La energía del rayo se disipa en el aire por medio de calor y sonido.

1.4.3 Intranube.

Se da una descarga eléctrica dentro de la nube de tormenta debido a que

dentro de la misma existen celdas con concentraciones de carga positiva y

concentraciones de carga negativa tales que se dan arqueos de celda a

celda.


1.4.4 Nube – tierra.

Fig.6 Descargas atmosféricas nube tierra

Dentro de esta clasificación, podemos encontrar dos casos:

1.4.4.1 Descargas positivas y descargas negativas.

El sentido de la descarga del rayo es, generalmente, un 90% rayo

negativos, es decir, la ruptura del arco eléctrico se da del polo

negativo (-) hacia otro punto de incidencia o polo (+). El rayo

negativo puede presentarse tanto de nube a tierra, que es el que

comúnmente observamos o hacia la nube desde un punto el cual

ofrece un líder ascendente capaz de romper la rigidez dieléctrica del

aire.


El otro 10 % son descargas conocidas como rayos positivos. Al igual

que sus similares también pueden ocurrir de nube a punto de

descarga o viceversa, la diferencia consiste en que la ruptura del

arco se da desde el polo positivo (+) hacia el polo negativo (-).

1.5 Proceso de la descarga atmosférica y etapas del rayo.

La descarga eléctrica atmosférica, antes de concebirse como tal, se

desarrolla mediante las acumulaciones de carga generalmente en la nube,

ya que como se estableció también puede haber un acumulamiento de

cargas en tierra; el proceso de la descarga sigue los pasos que a

continuación se conceptualizan:

1.5.1 Paso 1. Líder descendente.

Fig.7 Primer paso de la descarga atmosférica.

El rayo es la reacción eléctrica causada por la saturación de cargas

electroestáticas que han sido generadas y acumuladas

progresivamente durante la activación del fenómeno eléctrico, esta

acumulación es tal que logra formar una protuberancia en un punto


de la nube, esta protuberancia será la concentración principal que

se encarga de transportar la carga de la nube al suelo, a esta

concentración saliente de la nube se le denomina líder descendente.

Fig.8 Modelo del líder descendente.

El líder descendente va formando un camino mediante movimientos

discontinuos zigzagueantes a través del aire en arcos de 10 a 200

metros, con 50 metros promedio debido a que se mueve por el medio

de menor rigidez dieléctrica, este viaje discontinuo es con una

velocidad promedio de 105 m/s con una densidad de carga lineal

típica de 10-3 C/m, la pausa entre pasos es de 10 a 125μs con un

promedio de 1 μs por paso.


1.5.2 Paso 2. Transición streamer-líder.

Fig.9 Modelo del streamer-líder.

Al diseminarse el líder descendente hacia tierra se forma en su cola un

canal ionizado, el cual funge de camino o conductor de la energía que es

liberada en el proceso de descarga; a este paso del rayo se le denomina

como streamer-líder ya que por su movimiento discontinuo parece como

una serpentina teniendo en su punta la extensión del líder descendente

escalonado el cual contiene, a lo largo del canal y principalmente en su

punta la mayor concentración de carga eléctrica negativa.


1.5.3 Paso 3. Generación líder ascendente.

Durante la generación del líder descendente y en función de la

transferencia de carga debido a que cargas de polaridad opuesta se

atraen, la carga positiva intenta unirse al líder descendente escalonado a

través de un proceso conocido como líder ascendente o líder de conexión.

La mecánica de propagación de este líder ascendente es similar a la

mecánica seguida por el líder escalonado descendente.

Uno de los efectos de la atracción de cargas es el fenómeno que por

unos instante puede ser apreciado en los puntos mas altos de las

estructuras denominado efecto corona, el cual se caracteriza por la

aparición de chispas eléctricas generalmente de color verde-azul y

con fuerte olor a ozono (ionización del aire); cuando se visualiza este

fenómeno, el campo eléctrico-atmosférico de alta tensión es tan

grande que los pelos de la piel se ponen de punta hacia arriba y la

descarga de rayo puede presentarse.


Fig.10 Generación del líder ascendente.

1.5.4 Paso 4. Ultimo paso de la descarga o distancia críticade rompimiento.

Se le denomina ultimo paso de la descarga o distancia crítica de

rompimiento a la distancia del punto de contacto al objeto a ser golpeado,

es decir, cuando el avance del líder ascendente crea efectos corona o

polarizaciones en las estructuras u objetos situados en el suelo como

puede ser apreciado en la figura 11, estos compiten en potencial tratando

de alcanzar el líder descendente escalonado, se define como distancia

critica de rompimiento al doblez hacia el líder ascendente escalonado del

objeto golpeado producido por la máxima diferencia de potencial entre en

líder descendente y el líder ascendente del objeto que recibe el impacto,

una vez iniciado el contacto se inicia el rayo de retorno.


Fig.11 Ultimo paso de la descarga o distancia crítica de rompimiento

Una vez que el líder descendente alcance una altura cercana a los puntos

de descarga, los puntos equidistantes tienen la misma probabilidad de

impacto.

1.5.4.1 Rayo de retorno.

Al hacer contacto el streamer-líder con el líder de conexión, se crea una

conexión nube–tierra y las cargas de la nube pueden escaparse; el rayo

que se ve es el rayo de retorno, que va desde el suelo a la nube (como se

produce tan rápido el observador cree que es al revés). El brillo del rayo es

aproximadamente igual al que harían 100 millones de lámparas

incandescentes juntas, el calor producido por la descarga eléctrica

calienta el aire y lo expande bruscamente, dando lugar a ondas de presión

que se expanden como ondas sonoras y así produciendo el trueno.

Como sabemos, la velocidad del sonido es aproximadamente 340

metros/seg. , por lo cual el trueno se escucha después de desaparecer el

rayo.

En el rayo la corriente es de unos 10.000 amperes y se transporta unos 20

o 30 coulombs de carga.

Cuando el rayo de retorno desaparece, se ha creado ya un canal ionizado

llamado dart leader por donde baja otra guía pero sin pausas la cual sigue

el mismo camino llevando cargas negativas y cuando toca tierra sube otro


rayo de retorno. Así, el rayo puede caer varias veces sucesivamente (se ha

observado hasta 42 veces).

En la figura 9 se puede observar la distancia típica de caída del rayo (3

Km.), y los tiempos del streamer líder, así mismo del rayo de retorno, dart

leader y los subsecuentes que pueden ocurrir repetidamente como se

estableció en el párrafo anterior.

Fig.12 Distancia típica de caída del rayo (3 Km.), tiempos del streamer

líder, dart leader en .1 segundos de duración del rayo.

1.6 Efectos y consecuencias de las descargas eléctricas.

La descarga atmosférica, por sus características de liberación de energía,

produce efectos directos en el punto de incidencia del rayo y efectos

indirectos en las instalaciones o el medio circundante al mismo.


Para efecto de la aplicación del estudio de esta tesis se mencionan los

efectos destructivos y condiciones peligrosas que las descargas eléctricas

generan en sistemas como:

1.6.1 Sistemas en riesgo.

Seres Vivos.

Edificios y Estructuras.

Equipo Eléctrico y Electrónico.

Líneas de transmisión y líneas de distribución de energía eléctrica.

Y el efecto sobre dichos sistemas:

Aturdicion, sordera, muerte.

Fuegos forestales, fuegos residenciales e industriales.

Perdidas en la industria.

Interrupciones de energía, sobretensiones y disturbios del sistema.

1.6.2 Efecto sobre sistemas.

1.6.2.1 Seres Vivos.

El cuerpo humano es una máquina bioeléctrica, polarizada

eléctricamente y toda la actividad electromagnética del entorno nos afecta.

Cada impacto de rayo genera una radiación o pulso electromagnético

peligroso para las personas.

Es claro que debido a las características eléctricas y barométricas de las

descargas atmosféricas, los daños que puede ocasionar en una o un

conjunto de personas pueden ser desde simples efectos aturdidores,

pasando por daños auditivos severos, quemaduras en la piel, lesiones en

la retina, caída al suelo por onda expansiva, caída al suelo por

agarrotamiento muscular debido a una tensión de paso ligera, lesiones


pulmonares y lesiones óseas, estrés pos-traumático, hasta efectos

mortales por parao cardiaco, paro respiratorio, y lesiones cerebrales

debido a la cantidad de energía que una descarga atmosférica es capaz de

alcanzar, por ejemplo, si un rayo incide directamente en tierra o en una

línea de energía aérea que cuenta con un sistema de protección

pararrayos, la energía de la descarga será conducida a tierra por el

elemento de protección ocasionando potenciales en la torre con respecto a

tierra si se trata de una línea de transmisión y potenciales en la tierra

circundante a la torre, ahora translademos este efecto de transferencia de

energía a estructuras, instalaciones, postes, chimeneas, etc., en donde

este efecto se repetirá pudiendo causar condiciones de peligro para la

población debido a los efectos de la corriente eléctrica sobre el cuerpo

humano.

Los efectos de la electricidad sobre el cuerpo humano dependen de los

siguientes factores:

Intensidad de corriente.

El tipo de corriente (corriente continua de alta frecuencia para el

caso del rayo).

La trayectoria seguida por la corriente a través del cuerpo.

Las condiciones dieléctricas de la persona en el momento de

contacto.

Como se puede observar, algunos de los factores mencionados no son de

fácil valoración; por lo que no es posible establecer reglas rigurosas. Como

medida orientativa, se pueden elaborar curvas de peligrosidad de la

corriente, donde se relaciona el tiempo de contacto tolerable en función de

la corriente.


Fig.13 Curva de efectos de la corriente eléctrica.


De esta curva se observan las consecuencias de tener contacto con las

partes en tensión; ya que por ejemplo, corrientes mayores de 50 mA y

tiempos correspondientes a la zona 2 de la curva de efectos de la corriente

eléctrica, pueden tener consecuencias mortales para el hombre, la forma

mas fácil de prevenir un daño del shock eléctrico, es evitar que el cuerpo

humano forme parte del circuito eléctrico.

Los efectos peligrosos para las personas ante la incidencia de una

descarga eléctrica son el potencial de paso y el potencial de contacto.

1.6.2.1.1 Potencial de paso y Potencial de contacto.

La circulación a tierra en instalaciones u objetos metálicos conductoras de

las corrientes producidas por las descargas atmosféricas, produce

gradientes de voltaje sobre la superficie del suelo, en la vecindad de los

sistemas en los que incide la descarga. El voltaje que exista entre los dos

pies de una persona o las patas de un animal parado sobre el suelo, se le

conoce como potencial o voltaje de paso; en tanto que el potencial que

existe entre la mano y ambos pies para el caso de una persona, se conoce

como potencial o voltaje de contacto, estos efectos son las explicaciones de

muertes repentinas de personas y ganado donde no existió un contacto

directo con la descarga durante una tormenta eléctrica.

La circulación de corriente para el caso del Potencial de Paso puede ser

ejemplificado con un circuito serie, en donde la corriente fluye a través de

la resistencia del cuerpo del individuo (Rk) y a través de la resistencia a

tierra de un pie en ohms cerrando de esta forma el circuito eléctrico

(Fig.14 Representación del Potencial de Paso).


Fig.14 Representación del Potencial de Paso

La circulación de corriente para el caso del Potencial de Contacto puede

ser ejemplificado con un circuito paralelo en donde el individuo y otra

trayectoria de corriente existen al mismo tiempo como puede apreciarse en

la Fig.15. La mayor circulación de corriente por alguna trayectoria

dependerá de la resistencia eléctrica de cada una de ellas, por lo que es

conveniente hacer notar que la resistencia eléctrica del cuerpo humano es

muy variable; por lo que los valores de tensión aplicados al cuerpo

humano se consideran peligrosos y se deben definir en forma

conservadora. Las instalaciones de puesta a tierra, constituyen el medio

para limitar dicha tensión.


Fig.15 Diagrama del Potencial de Paso

Los potenciales de paso y de contacto pueden llegar a ser mortales, sus

efectos dependen directamente de el peso de la persona (ya que el peso

esta en función directa de la resistencia eléctrica), valor de la corriente

que circula por el cuerpo expresada en ampers y de la resistividad del

suelo en ohms-metro, este ultimo factor es determinante para el diseño de

un sistema de protección pararrayos debido a que entre menor sea la

resistividad eléctrica del suelo la disipación de energía será mas eficiente.

1.6.2.2 Edificios y Estructuras.

Los edificios, por ser las estructuras mas altas en valles y planicies donde

son construidas las ciudades, son los elementos constructivos que

presentan la menor rigidez dieléctrica entre la nube de descarga y un

punto de incidencia del rayo debido obviamente a su altura además de

presentar diversos puntos de impacto debido a sus salientes y orillas

donde se dan frecuentes concentraciones de carga eléctrica. De hecho los


sistemas de protección pararrayos en edificios con una altura mayor de 43

metros debe ser modificada aplicando variaciones de la protección tales

como anillos equipotenciales a cierta distancia de la estructura del

edificio así como puntas pararrayos a distancias medias del edificio

debido a la presencia de rayos laterales que son capaces de burlar la

protección ocasionada por la falla del blindaje debido a la altura de la

construcción.

Fuegos residenciales.

En países donde el mayor componente de las casas habitación es madera,

los fuegos residenciales pueden llegar a ser considerables. De hecho, este

aspecto es muy importante para efecto de evaluación del diseño de un

sistema de protección contra fuego y explosión en instalaciones de alto

riesgo

Una de las causas principales de fuego y explosión en este tipo de

instalaciones lo constituye el rayo a tierra. De hecho, muchas compañías

en el mundo “juegan” a la probabilidad de incidencia del rayo, dejando sus

instalaciones sin protección, con resultados catastróficos. El problema

aquí estriba en el hecho de que no existe una protección sistematizada

para este tipo de instalaciones. Sin embargo, la aplicación de los

conceptos básicos es suficiente para su correcta protección.

Fuegos forestales

Los fuegos forestales son comunes ante la presencia de tormentas

eléctricas. La mayor causa de fuego forestal lo constituye la gran

componente de baja frecuencia del rayo. Si el rayo es de gran magnitud

pero de corta duración, su efecto es destructivo. Pero si la corriente de

rayo es de larga duración (con una larga componente en tiempo de la


parte de baja frecuencia) el material de los árboles es sometido a un gran

efecto térmico, lo que produce fuego en su estructura.

Los árboles que crecen aislados o que tienen una altura tal que

sobrepasan cualquier estructura, son un blanco de las descargas

atmosféricas. Por ello, para esos casos se recomienda protegerlos como si

fuesen una estructura.

1.6.2.3 Equipo Eléctrico y Electrónico.

Aún cuando los daños por rayo directo son más espectaculares, los daños

causados por los efectos de Inducción debido a rayo cercano son de gran

consideración cuando se involucra equipo electrónico sofisticado de gran

valor económico y clave para algunos procesos de Producción

Durante la descarga del rayo se generan inducciones y acoplamientos en

líneas de transporte eléctrico y de comunicaciones, todos los equipos

electrónicos sensibles que se encuentre dentro de un radio de acción de de

la descarga pueden estar afectados por una sobre tensión inducida.

En función de la intensidad de descarga del rayo las tomas de tierra no

llegan a absorber la totalidad de la energía potencial descargada en menos

de 1 segundo, generando retornos eléctricos por la toma de tierra al

interior de la instalación eléctrica. Este fenómeno puede generar tensiones

de paso peligrosas si las instalaciones no están preparadas al efecto y

sobrevoltajes en las terminales de los equipos electrónicos sensibles

dañando sus componentes lo que ocasiona mal funcionamientos del

equipo mismo y de los sistemas conectados a este, sin duda el latente

peligro para los equipos eléctricos y electrónicos ante una inminente

descarga atmosférica representa un motivo de preocupación ante el riesgo


de perdidas económicas ocasionadas por el efecto del rayo en este tipo de

componentes.

Los daños producidos por las sobretensiones en equipos eléctricos y

electrónicos son:

Daños materiales: destrucción de los equipos de telefonía, alarma,

detección de incendios, componentes electrónicos,

electrodomésticos, emisores de televisión y otros equipos sensibles.

Envejecimiento prematuro de los equipos.

Inoperatividad temporal de los sistemas informáticos y de

comunicación.

Perforación de instalaciones eléctricas.

Pérdidas económicas importantes.

1.6.2.4 Líneas de transmisión y líneas de distribución deenergía eléctrica.

Cuando las descargas inciden directamente en los circuitos aéreos, bien

sean conductores de fase, hilos de guarda o postes, se producen tensiones

transitorias excesivas en el sistema. Aunado a esto, las descargas que

inciden cerca de un poste también pueden inducir tensiones excesivas en

la línea, que finalmente causan flameos. Las tensiones transitorias viajan

a lo largo de las líneas y pueden causar fallas de aislamiento en el equipo

conectado a ellas si no se han protegido adecuadamente.

La magnitud de las corrientes de las descargas atmosféricas depende de la

energía concentrada en las nubes y la diferencia de potencial que existe

entre estas y tierra. Cientos de mediciones efectuadas de magnitudes de

estas corrientes en líneas de transmisión afectadas por descargas

atmosféricas han permitido resumir los valores que se presentan en la

tabla 1.


Por ciento (%) Ampers (A)1 20000010 8000050 5000090 800099 3000

Si la descarga cae directamente sobre las líneas, la potencia que debe ser

disipada en corto tiempo en que esta se produce es del orden de 1010 Kw.

aproximadamente, y debe tenerse por seguro que daños serios serán

causados en el sistema; aun mas, es seguro que bajo estas circunstancias

ningún equipo pueda proporcionar una protección adecuada. La mayor

parte de las descargas no ocurren afortunadamente de manera directa

sino en puntos adyacentes a la línea, produciendo voltajes inducidos que

se comportan como ondas viajeras. Ondas de sobretensiòn también

pueden ser producidas por un fenómeno de inducción por la presencia de

nubes cargadas cercanas a las líneas.

Las ondas producidas por los fenómenos antes mencionados pueden ser

representadas con la siguiente expresión:

e = E (e-at – e-bt) Ecuación no.1

X200678

Cuadro de texto

Tabla 1. Magnitud de las corrientes de las descargas Atmosféricas y su probabilidad de ocurrencia


Fig.16 Curva típica de una descarga atmosférica.

Donde a y b son las constantes que determinan la forma de la onda. Una

onda de ese tipo se muestra en la Fig.16; se emplea frecuentemente con

propósitos de prueba cuando es necesario investigar el comportamiento

del sistema bajo estas circunstancias como es el caso de transformadores

de potencia sometidas a ondas de impulso con frentes de onda completa o

cortada por citar un caso especifico.

La curva es identificada por el tiempo t, indispensable para que llegue a

su punto máximo. Así, una onda de prueba de 1/50 significa que t1 =

1µseg. y t2 = 50 µseg. La normalización de estas ondas de prueba varía un

poco con respecto a países de Europa y América. Sin embargo, el

significado es el mismo para todos los casos.


1.7 Descargas Atmosféricas, hechos y mitos

Como se estableció en un principio, el rayo o descarga atmosférica fue

para muchas culturas y sigue siendo para algunas un símbolo de

fascinación, adoración y miedo, lo que conllevo a convertir un efecto de la

naturaleza en un hecho divino; con el paso del tiempo y el desarrollo de

tecnologías el rayo ha podido analizarse y explicarse mediante teorías

creadas en base a el análisis, experimentación y observación, estas teorías

han tenido una buena aceptación dentro de la comunidad científica. Sin

embargo existen aun constantes suposiciones dentro de la sociedad

especialista y no especialista, el objetivo de el desarrollo de este tema es el

de establecer la diferencia entre el hecho y el mito.

En los párrafos adyacentes a este se establecerán las bases de cada uno

de los casos de los hechos y mitos mas populares, después se realizara un

análisis en base a los conocimientos de ingeniería eléctrica generando de

este modo un panorama que brinde certidumbre suficiente a el lector para

distinguir un hecho de un mito sin dejar de lado que un mito

irremediablemente nació de un hecho con lo cual se explica el impacto

fantástico que causa en el seno de la población.

Las creencias y cuestionamientos populares más repetitivos son:

a) Un rayo no cae dos veces en el mismo lugar.

b) Protección ofrecida por neumáticos.

c) Situarse debajo de un árbol durante una tormenta es una

garantía de la caída de un rayo.

d) ¿Es posible colectar la energía del rayo?

1.7.1 Un rayo no cae dos veces en el mismo lugar.

Existe un dicho muy conocido en México, el cual versa “un rayo no cae

dos veces en el mismo lugar”, desde la infancia se nos ha entrenado a


pensar que esta afirmación es cierta, mas sin embargo esta afirmación no

es del todo veraz.

Las descargas atmosféricas son sucesos puramente probabilísticos con

frecuencias de incidencia remotos, es decir, no se puede determinar el

punto exacto y por supuesto tampoco la hora y día de la caída de un rayo

en un punto especifico, este hecho reforzaría sin duda la teoría de un rayo

no cae dos veces en el mismo lugar mas sin embargo existen datos que

prueban lo contrario; el Empire State ha sido golpeado alrededor de 25

veces por año1 entre otras esta es una prueba fehaciente de que múltiples

descargas pueden incidir en un solo punto.

La incidencia de rayos es afectada directamente por factores como:

a) Nivel Ceraunico.

b) Densidad de Rayos a Tierra

1.7.1.1 Nivel Ceraunico.

El nivel ceráunico de un lugar es el número promedio de días al cabo del

año en los que hay tormenta. Se considera día con tormenta a aquel en el

que al menos se oye un trueno, existen zonas con un nivel ceráunico

mayor que el que se podría encontrar en diferentes regiones del mundo,

para identificar estas regiones se han creado mapas útiles como referencia

sobre la probabilidad de la caída de rayos, estos mapas se construyen en

base a las líneas isoceraúnicas que delimitan áreas territoriales con un

mismo nivel ceráunico.

1Actualización Profesional Especializada, Dr. Arturo Galván Diego.


1.7.1.2 Densidad de Rayos a Tierra (DRT).

La Densidad de Rayos a Tierra (DRT) es el numero de descargas eléctricas

a tierra por kilometro cuadrado al año, es un parámetro complementario

al nivel ceráunico que permite cuantificar la incidencia de rayos en la

zona.

Es importante establecer que aun aunque un punto de impacto nunca

halla recibido una descarga esto no es garantía de que no pueda ser

golpeada repetidamente en un lapso de tiempo muy corto, el numero de

veces que una estructura, cualquiera que fuere la naturaleza de esta, que

sea golpeada por un rayo, dependerá del nivel ceráunico de la zona, su

DRT y por supuesto de su altura basándonos el tercer paso de la descarga

eléctrica, el cual encuentra su referencia incluido en este capitulo.

1.7.2 Protección ofrecida por neumáticos.

El automóvil ofrece un lugar seguro, siempre y cuando las personas se

encuentren totalmente en su interior y el automóvil sea cerrado con toldo

metálico (no convertible).

Los neumáticos no ofrecen ningún aislamiento sobre tierra, ya que las

partes metálicas de fijación de los neumáticos se encuentran a unos

cuantos centímetros del suelo, seria ingenuo pensar que el aislamiento de

un neumático puede aislar una descarga que es capaz de trazar arcos

eléctricos equiparables con la longitud que existe entre tierra y nube de

descarga.

La protección que un automóvil brinda a sus ocupantes se basa en el

principio de la jaula de Faraday imperfecta, la aplicación esta tesis se

aprecia en un recinto metálico de paredes no necesariamente continuas,

que constituye una pantalla eléctrica o electrostática en el cual el campo

magnético interior es nulo, para demostrar este hecho basta con rodear


un cuerpo con una pantalla metálica unida a tierra, por muy intensos que

sean los campos eléctricos exteriores, el objeto interior (si es que lo hay)

no se vera afectado por los campos externos. Esta tesis es fácil constatar,

basta observar que para recibir una emisión de radio en el interior de un

vehículo, cuya carrocería es metálica, hace falta una antena exterior. Así

mismo bajo esta línea de operación las descargas eléctricas se comportan

de la misma manera, utilizando un automóvil como medio de arqueo

reduciendo la distancia dieléctrica.

1.7.3 Situarse debajo de un árbol durante una tormentasignifica

un peligro inminente ante la caída de un rayo.

Basándose en el tercer paso del proceso de la descarga atmosférica y

etapas del rayo, donde se define el concepto de líder ascendente, se

establece que durante el proceso de una descarga todas las estructuras

presentaran un efecto corona en sus puntas salientes compitiendo en

potencial tratando de alcanzar el líder descendente escalonado.

Las estructuras al presentar una ionización en sus puntas brindan un

punto de incidencia de la descarga; los arboles como un ejemplo de

estructuras altas son focos de impacto frecuentes para el rayo.

En un bosque con variedad de especies de flora, se pueden encontrar

arboles mas altos en comparación a sus similares; si el caso de que una

persona se encuentre durante una tormenta eléctrica en un bosque

alejado de un lugar seguro de resguardo, debe situarse debajo de los

arboles mas pequeños ya que estos presentan el líder ascendente con el

nivel mas bajo de potencial; además debe adoptar una posición de

cuclillas con los talones juntos con el fin de reducir la magnitud de su

líder ascendente y minimizar el efecto del potencial de paso en caso de la

caída de un rayo cercano.


1.7.4 ¿Es posible colectar la energía del rayo?

A pesar de la intempestiva magnitud de la energía que una descarga

eléctrica es capaz de liberar, la mayor parte de la energía producida

durante el fenómeno es liberada en calor a través del aire circundante

mediante el calentamiento del aire circundante, este calor extremo

hace que el aire se expanda a una velocidad explosiva, la explosión

crea una onda de sonido estruendosa, conocida como trueno.

En adición podemos analizar que aunque se tuvieran los medios

tecnológicos como para acumular la energía remanente de la descarga

que golpea en tierra, no podemos depender de métodos probabilísticos

para situar dispositivos captadores de gran valor económico que

podrían operar inútilmente durante años en la espera de la caída de un

rayo.

Capítulo 2

Protección contra descargas atmosféricas.

CAPITULO 2. PROTECCIÓN CONTRA DESCARGAS ATMOSFÉRICAS. 34

2 Protección contra descargas atmosféricas.

Mediante este capitulo se establecen los inicios históricos de la

experimentación con descargas eléctricas, los niveles de protección de los

primeros sistemas contra rayos, el nacimiento de las teorías de protección,

así como el inicio de las aplicaciones practicas de dichas teorías y el

análisis de los métodos actuales normalizados de protección contra

tormentas eléctricas.

De la misma manera, se puntualizan y desarrollan las normatividades,

tanto nacionales como internacionales y extranjeras aplicables al diseño de

Sistemas de Protección Contra Tormentas Eléctricas.

2.1 Inicios

2.1.1 Experimento de Benjamín Franklin

El rayo ha sido observado desde la antigüedad tratando de averiguar su

naturaleza, pero fue Benjamin Franklin quien planeo un experimento que

consistía, durante el suceso de una tormenta eléctrica; montar una pieza

metálica en una cometa, unidos estos por medio de un hilo mojado que se

encargo de conducir la electricidad hasta una llave que se encontraba

cerca del extremo que sostenía Franklin, el sujeto todo con un tramo de

hilo seco.

La llave se cargó eléctricamente y soltaba chispas al acercársele la mano.

Las fibras del hilo se erizaban por la estática, no había caído ningún rayo

sobre la cometa, sino que manifestaba una corriente, fruto de la diferencia

de tensión entre el cielo y la tierra. Había demostrado que tanto las

descargas que se producían por efecto de la electricidad estática como las

de una tormenta eran fenómenos de la misma naturaleza.


Podemos definir a este experimento como “identidad de la nube de

tormenta”, donde la nube de tormenta esta electrificada y el rayo es un

arco eléctrico a gran escala. Su famoso experimento del cometa demostró

por primera vez que las nubes de tormenta generan y descargan

electricidad estática.

En sus experimentos con puntas metálicas, llegó a la conclusión de que

las nubes de tormenta descargan preferentemente dicha electricidad

estática sobre montañas elevadas, árboles, torres, mástiles o cualquier

otro objeto metálico aterrizado.

En 1752 Benjamín Franklin publicó en su famoso Almanaque del Pobre

Richard (Poor Richard's Almanac) una aplicación interesante para este

fenómeno. Propuso la idea de utilizar el efecto punta para protegernos de

la caída de los rayos. Nacía así el pararrayos.

Al año siguiente (1753) el ruso George Wilhem Richman, trabajó sobre la

idea de Franklin disponiendo una varilla para la captura de rayos, pero no

fue tan afortunado y murió al recibir una descarga. Es el riesgo de los que

exploran en el límite de lo conocido.

Las cargas alrededor de un conductor no se distribuyen uniformemente, se

acumulan más en las partes más afiladas, y si se trata de curvas, se

agrupan del lado convexo y en mayor cantidad cuanto más cerrada es la

curva. Esta propiedad fue aprovechada por Benjamín Franklin para

diseñar su pararrayos. Usando puntas se logra acumular rápidamente la

carga, y éstas al acumularse en un área, vencen con facilidad la

resistencia del aire.


2.1.2 Terminales aéreas.

Con base en la experimentación de Benjamin Franklin, las terminales

aéreas, por tanto, pueden definirse como aquellos elementos metálicos

aterrizados que ofrecen preferentemente un punto de incidencia del rayo,

así como un camino seguro para la disipación de la corriente de rayo a

tierra. Por lo tanto, el único objetivo de una terminal aérea es conducir a

través de sus elementos constitutivos la corriente de rayo que podría, de

otra manera, golpear algunas de las partes vulnerables del objeto a ser

protegido.

Para llevar a cabo la función de protección de objetos, edificios o

estructuras, la posición y altura de las terminales aéreas verticales deben

ser tales que el rayo incida preferentemente sobre dichas terminales

aéreas, dejando la efectividad del sistema contra fallas de blindaje al

parámetro conocido como distancia o cobertura de protección.

A partir de entonces, la protección contra tormentas eléctricas basada en

electrodos Franklin representó una solución práctica, extendiéndose en

toda América, Europa y el resto del mundo. Aún cuando el concepto fue

puramente empírico con una protección por debajo del 100%, la técnica en

el uso del electrodo Franklin fue mejorado y perfeccionado con el paso del

tiempo.


Fig.17 Angulo de protección de una terminal aérea según Benjamin Franklin.A= Punto de impacto, B y C= Distancia limite de la zona de protección, ht= Altura de la

terminal aérea, α= Angulo de protección ofrecido por la terminal.

De acuerdo con Benjamin Franklin una terminal aérea que rebase la

altura máxima de una estructura cualquiera que fuere su naturaleza,

traza una zona cónica debajo de ella, la cual probabilísticamente es

inmune a la incidencia de una descarga atmosférica dentro de ella, a esta

zona, la cual es apreciable en la Figura 17, se le conoce con el nombre de

Angulo de Protección.

2.1.3 Primer Guía de Diseño de Protección.

Aún cuando se considera que Benjamín Franklin fue el primero en

proponer un cono de protección como medida de la efectividad del sistema

de protección convencional; en 1823 Gay-Lussac propuso un cono de

protección con un radio de dos veces la altura de la terminal aérea. Debido

a una gran actividad atmosférica de rayos a tierra en la mayor parte de

Europa Continental; en 1822, el Ministro del Interior de Francia ordenó la

protección de todos los edificios públicos, utilizando el mejor modelo y

utilizando medidas de instalación mejoradas.


Para llevar a cabo la protección, el Ministro pidió oficialmente a la

“Academia de Ciencias” revisar la eficiencia del sistema de protección,

nombrándose un comité de seis miembros notables, todos ellos

investigadores del fenómeno de la electricidad: MM Poisson, Lefevre-

Gineau, Girard, Dulong, Fresnel y Gay-Lussac.

El informe sobre el estudio realizado por los investigadores fue entregado a

la “Academia de Ciencias”, el cual fue adoptado como el modelo de

protección y declarado como un documento de extrema importancia. La

importancia de dicho documento fue de tal magnitud, que el gobierno

Francés ordenó distribuirlo a todos los funcionarios públicos, a la iglesia y

otras instancias con el objeto de hacerlo del conocimiento general. Este

documento llego a ser la primera guía de una zona de protección específica

con aplicación a las terminales aéreas de un sistema de protección contra


2.2 Métodos de protección contra descargas atmosféricasbasados en el principio del electrodo Franklin.

Estando concientes de que la protección ofrecida por una punta

pararrayos se limita a un cierto volumen, se han desarrollado métodos

sistemáticos que determinan la posición óptima de los electrodos para

ofrecer la máxima protección a estructuras, edificios, hogares, etc.

Los métodos de protección, basados en electrodos Franklin, que se

utilizan en la actualidad son:

Método del Cono o Angulo de protección.

Modelo Electrogeométrico o Esfera rodante.

Método de la Malla Extendida.


2.2.1 Método del Cono o Angulo de protección.

La primera descripción de la zona de protección fue establecida por

Benjamín Franklin, quien definió una zona cónica debajo y alrededor de

una terminal aérea vertical con un ángulo aproximado de 58º a partir del

eje vertical.

Fig.18 Zona de protección propuesta por Benjamin Franklin deaproximadamente 58°.

Inicialmente la zona de protección estuvo basada en observaciones de

campo. A partir del siglo XVIII, algunos investigadores definieron otras

zonas de protección, con ángulos de protección menor, debido quizá a las

fallas en la protección mostradas por ángulos más grandes o quizá por la

construcción de edificios más altos. Esto conlleva a la definición del ángulo

de protección, la cual puede definirse como el espacio adyacente a la


terminal aérea que es sustancialmente inmune a sufrir la incidencia de un

rayo directo.

Más adelante, en 1840 y basado en observaciones, Sir William Snow

Harris publicó un documento para la protección de embarcaciones

marítimas basado en la zona de protección 2:1; es decir, el radio de la

protección seria igual al doble de la altura de la terminal aérea con la cual

se protegía la estructura. De alguna manera, lo elevado de las

embarcaciones ofrecía un muy buen modelo de protección, debido a la

poca influencia que se tenía alrededor de la embarcación.

Fig.19 Zona de protección propuesta por William Snow en 1840, con un ángulo deaproximadamente 63°.

El método ofrecido por Sir William Snow fue adoptado en 1847 por la

Marina Real, debido al éxito obtenido en la instalación del sistema de

protección en 30 buques de la Marina Real que durante los últimos 12

años habían sido expuestos a severas tormentas eléctricas ocurridas en

diferentes latitudes, sin experimentar daño alguno. A partir de estas

observaciones, puede decirse que el cono de protección mediante un

ángulo de protección con relación 2:1 había sido un éxito.

Después, en 1880, Preece condujo una serie de experimentos para medir el

campo eléctrico cerca de una terminal aérea vertical, concluyendo lo

siguiente: “una terminal aérea vertical ofrece una zona de protección por


medio de un espacio cónico, cuya altura es la longitud de la terminal aérea

y su base corresponde a un círculo con un radio igual a la altura de la

terminal aérea, cuyos lados corresponden al cuadrante de un círculo con

radio igual a la altura de la terminal aérea. Este es el concepto de una

zona de protección con relación 1:1, basado en los datos científicos

obtenidos hasta esa fecha y que prevalecería por muchos años.

En 1892, Sir Oliver Lodge publicó una revisión de los conceptos de las

zonas de protección propuestos hasta esa fecha. La variación encontrada

fue muy amplia: desde 90 hasta 30 grados. Como resultado de las

observaciones realizadas en ese tiempo, el cono de protección fue

modificado con ángulos desde 45 hasta 64 grados.

En 1914, las investigaciones de Larmor & Larmor tuvieron un ingrediente

innovador de análisis, ya que la zona de protección fue analizada por

medio de las líneas de campo eléctrico mediante el uso (ya disponible en

ese tiempo) de la teoría electromagnética de Maxwell y el trabajo tomaba

en cuenta rayos oblicuos o inclinados. De hecho, este trabajo es

considerado como el primer documento en correlacionar el mecanismo de

la ionización de gases con la propagación del rayo.

En la década de los veinte, Peek evaluó el concepto de zona de protección

mediante pruebas de laboratorio para determinar las zonas de protección

desde 64º hasta 76º.

En la Figura 20 se aprecian los diversos ángulos de protección según el

personaje que les dio origen mediante su investigación, para determinar el

ángulo de protección basta con seguir las trayectorias limitadas por los

segmentos entre las letras.


Fig.20 JBCK Gay Lussac 1823; BAC Snow 1840; DAE Paris Commission 1875; LFGMChapman 1875; FAG Adams 1881; FAG Preece 1880; HAI Melsens.

2.2.1.1 Determinación del Ángulo de protección.

Para determinar el ángulo de protección se utilizan diferentes conceptos

apreciables en la Figura 21, los cuales son:

El ángulo optimista.

El ángulo de áreas equivalentes.

El ángulo conservador.


Fig. 21 Conceptos del ángulo de protección.

2.2.1.1.1 Ángulo Optimista

El ángulo optimista (α1 de la Figura 21), denominado así debido a que

ofrece un margen de protección muy grande, implica tener un ángulo

siempre mayor o igual a 45º.

El área de protección ofrecida por la superficie OABO es mucho mayor al

suministrado por la esfera rodante, con una zona desprotegida (de acuerdo

al método de la Esfera rodante; descrito en el siguiente tema) definida por

la línea AB y el arco de la Esfera rodante. Este criterio, aplicado hace

muchos años, tuvo que ser modificado (ángulos más reducidos) debido a

las fallas de blindaje observados para estructuras elevadas y con una

ubicación cerca de la línea que define el cono de protección.

Ecuación del Ángulo optimista.

……………………………… Ecuación no. 2

….................................. Ecuación no. 3

Donde, α1 = Angulo optimista, mayor de 45º.


2.2.1.1.2 Ángulo de áreas equivalentes.

El ángulo de áreas equivalentes (α2 de la Figura 21), ofrece un criterio de

protección muy similar al de la Esfera rodante, ya que sus respectivas

áreas de protección son equivalentes. Sin embargo, es muy importante

notar que existe aún una zona desprotegida definida por la línea AE y su

intersección con el arco de la esfera rodante como límite superior y el arco

de la esfera rodante como límite inferior. Esta zona desprotegida puede

representar una diferencia importante en la efectividad de la protección.

Ecuación del Angulo de áreas equivalentes.

…………………… Ecuación no. 4


Donde, α2 = Angulo de áreas equivalentes.

2.2.1.1.3 Ángulo conservador.

Con el ángulo conservador (a3 de la Figura 21) se tienen ángulos de

protección mucho muy pequeños, lo que representaría elevar la efectividad

del sistema de protección, pero el costo sería muy elevado, ya que se

requeriría de una gran cantidad de terminales aéreas.

Este criterio establece un ángulo de protección cero cuando la altura de la

terminal aérea es igual al radio de la esfera rodante, situación que ofrece

muy poco para un sistema de protección.

Ecuación del Ángulo conservador.




Donde, α3 = Ángulo conservador.

Finalmente, el Ángulo optimista OABO ha demostrado presentar grandes

fallas de blindaje debido a lo aventurado de su protección, en lo que se

refiere al Ángulo conservador OAFO, aunque la protección que proporciona

es muy confiable repercutiría en elevadas sumas económicas en las

instalaciones practicas; el concepto generalmente aplicado es el del Ángulo

de áreas equivalentes OAEO, el cual indica que el área cuantitativa de

protección proporcionada por el ángulo α2 es igual al área de protección de

la Esfera rodante.

La comparación entre el Angulo de protección y el método de la Esfera

rodante es apreciable es la Tabla 4, la cual se encuentra al final del

desarrollo del método de la esfera rodante con el fin de aumentar su

comprensión ante la comparación de diseño con este método.


Fig.22 Método del Ángulo de protección utilizando dos terminales aéreas

verticales.

2.2.2 Modelo Electrogeométrico o Esfera rodante.

En el periodo comprendido entre 1950 y 1970, se estableció un fuerte

compromiso para proteger las líneas de transmisión de energía eléctrica

contra el efecto de los rayos directos en Estados Unidos, como

consecuencia, se generó una extensa investigación, en donde

investigadores como Whitehead, Wagner y Hileman realizaron importantes

contribuciones.

La aplicación del modelo electrogeométrico permitió que los índices de falla

por tormentas eléctricas de las líneas de transmisión disminuyeran

notablemente, aumentando en forma importante su confiabilidad.

En 1978, Lee publicó un artículo en el que se describen las características

de la protección de edificios contra tormentas eléctricas con base en el

modelo electrogeométrico usado en la protección de líneas de transmisión.

Este modelo, conocido actualmente como el método de la Esfera rodante,

es aplicado por la mayoría de las normas nacionales e internacionales.

El modelo Electrogeométrico o de la Esfera Rodante consiste en suponer el

rodamiento de una esfera de un determinado radio sobre las superficies de


la estructura a proteger, el rodamiento es frontal, lateral y diagonal; de un

extremo de la estructura hasta su opuesto sobre su superficie o alrededor

de la misma, con el fin de cubrir toda el área de protección.

Fig.23 Aplicación del Modelo Electrogeométrico, los puntos de incidencia

representan la colocación de terminales aéreas, R; se refiere al radio de la esfera

según el nivel de protección.

Los puntos de contacto en los que la Esfera Rodante incide, serán pues,

las localizaciones de las terminales aéreas pararrayos con un área de

protección equivalente a la sombra debajo de la esfera rodante en ese

punto, obviamente la sombra de protección dependerá del radio de la

esfera.

Con el fin de dar crédito a la aplicación del método de la Esfera rodante (en

caso de que su uso por la comunidad científica no fuera suficiente),

Horvath establece que este método ya había sido formulado y validado

mediante experimentos en laboratorio desde 1948. En su libro publicado


en 1991, Horvath establece la validación de la eficacia del método

mediante simulaciones en computadora.

La principal hipótesis de este método de protección es que la cantidad de

carga espacial contenida en el líder escalonado descendente, la cual

precede al rayo de retorno, está íntimamente relacionado con la amplitud

de la corriente del rayo de retorno. En otras palabras, el último paso de la

descarga está relacionado al potencial de la descarga del rayo, el cual a su

vez, está directamente relacionado con la carga en la nube. Como el pico

de la corriente del rayo de retorno está también relacionado con la carga

en la nube, puede decirse que el último paso de la descarga depende del

valor pico de la corriente del rayo de retorno.

2.2.2.1 Niveles de protección

El método de la Esfera Rodante en la actualidad, es reconocido

internacionalmente en todas las normas referentes a la protección contra

descargas eléctricas debido a su éxito al ser aplicado, debido a que se basa

en los conceptos de la intensidad de la descarga (kA) y del nivel de

protección (I-IV); ya que el ultimo paso de la descarga esta relacionado al

potencial de la descarga del rayo se ha determinado que para un rayo en

un rango de intensidad de corriente se puede utilizar un radio

previamente establecido de la Esfera rodante; esto es que para cuestiones

de diseño de la protección contra rayos, se escoge un radio de la esfera

según la corriente de la descarga contra la cual se protege el sistema, lo

cual da una garantía limitada de la protección según el nivel al cual se

protege el sistema amenazado.

Los niveles de protección basados en el Modelo Electrogeométrico, están

depositados en la Tabla 2.1

2Tabla de Niveles de protección. NMX-J-549-ANCE-2005.


Nivel deprotección.

Radio de la Esfera rodante rs

(m) y su correspondiente valorde corriente de rayo.

Método de la EsferaRodante, Altura de laterminal aérea sobre

la superficie aproteger.

rs(m), I(kA) h

I 20(m), 3(kA) ≤ 20 m

II 30(m), 6(kA) ≤ 30 m

III 45(m), 10(kA) ≤ 45 m

IV 60(m), 16(kA) ≤ 60 m

NOTA: La corriente I(kA) es estimada mediante la ecuaciónrs = 9.4 (I¨2/3) para el radio rs (m) correspondiente.

Tabla 2. Niveles de protección de acuerdo al radio de la Esfera rodante; a unnivel de protección mas bajo el radio de la esfera se reduce aumentando la

protección.

Por ejemplo, si se considera un valor de diseño de 20 m (nivel I de

protección) para el radio de la esfera rodante, la instalación esta protegida

para corrientes de rayo mayores o iguales que 3 kA; las corrientes de rayo

menores tienen una elevada probabilidad de penetrar el sistema de

protección.


Si se considera un valor de diseño de 30 m (nivel II) para el radio de la

esfera rodante, la instalación esta protegida para corrientes mayores o

iguales que 6 kA; las corrientes de rayo menores tienen una elevada

probabilidad de penetrar el sistema de protección.

Y así sucesivamente para los demás valores de diseño para el radio de la

esfera rodante (niveles III y IV). De acuerdo a la clasificación de los niveles,

cuanto menor sea el nivel, mayor es la protección, ya que considera

corrientes menores en la efectividad del blindaje que ofrecen las terminales

aéreas.

Al aumentar el radio de la esfera rodante, disminuye el número de

terminales aéreas necesarias para la protección, pero aumenta la

probabilidad de que el rayo penetre el sistema de protección.

Un aspecto importante en la evaluación de la protección con el método de

la esfera rodante, es que la altura máxima efectiva del elemento de

protección a partir del plano a proteger será igual al radio utilizado para la

esfera rodante.

Cuando la altura de la terminal aérea es mayor que el radio de la esfera

Rodante, la protección máxima estará limitada a la zona de protección

definida por el punto de unión entre la esfera rodante y la altura de la

terminal aérea correspondiente al radio de la esfera rodante, es decir; para

una altura de una determinada terminal la cual rebase el radio con el que

se esta protegiendo como en el caso de los edificios altos, se necesitaran de

medidas alternas de protección como anillos equipotenciales o terminales

aéreas horizontales en las áreas descubiertas por dicha terminal.


Los niveles de protección, en base al radio de la Esfera rodante fueron

establecidos de acuerdo a la frecuencia de ocurrencia de descargas con

valores de corriente promedios. 2

La frecuencia de ocurrencia de descargas atmosféricas es:

Las corrientes de rayo mayores que 3 kA representan el 98 % de

los rayos medidos en un cierto tiempo (ocurrencia).

Las corrientes mayores que 8 kA representan el 90 % de

ocurrencia.


ocurrencia.


ocurrencia.

Las corrientes más elevadas, en este caso, mayores que 200 kA,

representan sólo el 1 % de ocurrencia.

Como puede observarse, existe una elevada probabilidad de incidencia de

rayos con bajo valor de corriente y una probabilidad mucho menor para

corrientes más elevadas.

2.2.2.2 Análisis Geométrico del Método de la Esferarodante.

Al establecerse al aplicación de la Esfera rodante como un método de

protección contra las descargas atmosféricas, se describe a continuación el

análisis geométrico; por medio de este análisis se establecen las formulas

necesarias para aplicar la protección en cualquier estructura donde se

requiera la instalación de terminales aéreas con el fin de desempeñar la

labor de pararrayos.

2Frecuencia de ocurrencia de descargas atmosféricas. NMX-J-549-ANCE-2005.


Fig.24 Análisis Geométrico del Método de la Esfera rodante.

De la Figura 24; mediante el análisis geométrico, se define que:

Para una terminal aérea con una altura (H) menor que el radio de la Esfera

rodante la distancia máxima de protección (D) para un objeto con una

altura (B), con una incidencia de la esfera de terminal aérea a plano es:

…………… Ecuación no. 8

De la misma manera, para terminales aéreas con una altura (H) menor que

el radio de la Esfera rodante la distancia máxima de protección (R) para un

objeto con una altura (B), con una incidencia de la esfera de terminal

aérea a terminal aérea es:

…… Ecuación no. 9

Así pues, para determinar la altura mínima de protección ofrecida entre

terminales aéreas cuando la distancia entre ellas es menor que el diámetro

de la Esfera rodante:



Sea el caso que la altura de la terminal aérea (H) rebase el valor del radio

de la Esfera rodante, la distancia máxima de protección (D) para un objeto

con una altura (B), con una incidencia de la esfera de terminal aérea a

plano es:


Donde:

H = Altura de la terminal aérea A o B.

rs = Radio de la Esfera rodante según el nivel de protección seleccionado.

G = Mínima altura de protección ofrecida entre terminales aéreas según el

nivel de protección seleccionado.

S = Distancia entre terminales aéreas.

B = Altura del objeto protegido.

D = Distancia máxima de protección para un objeto con una altura B, con

una incidencia de la esfera de terminal aérea a plano.

R = Distancia máxima de protección para un objeto con una altura B, con

una incidencia de la esfera de terminal a terminal aérea.

P1, P2 = Centros de la Esfera rodante.


Radio de la Esferarodante rs(m) y sucorrespondiente

valor de corriente derayo I(kA)

Ángulo de protección (º).


rs(m) I(kA) h=20 m h=30 m h=45 m h=60 m

I 20 3 25 (1) (1) (1)II 30 6 35 25 (1) (1)III 45 10 45 35 25 (1)IV 60 16 60 45 35 25

h corresponde a la máxima altura de la terminal aérea.(1) No se puede aplicar el concepto del ángulo de protección, debido a que la altura dela terminal aérea es mayor que el radio de la esfera rodante.

Tabla 33. Niveles de protección del Angulo de protección según el radio de laesfera rodante.

2.2.2.3 Evolución de los criterios de protección de la esferarodante.

El criterio de protección basado en el método de la esfera rodante se apoya

en observaciones científicas, experimentos en laboratorio, mediciones de

campo de la corriente de rayo y su interrelación con el último paso de la

descarga, siendo éste último el parámetro más importante en la definición

del radio de la esfera rodante.

En las últimas décadas, la investigación en la protección contra tormentas

eléctricas ha mostrado dos tendencias: una relacionada con la

modificación de la terminal aérea como punto de sacrificio con el objeto de

aumentar la cobertura de protección, y la otra relacionada con el

mejoramiento de los criterios de protección incluyendo parámetros

adicionales, con el objeto de aumentar la eficiencia del sistema de

protección.

El consenso internacional indica que a mediano y largo plazo, es mejor

aumentar la eficiencia de la protección basados en la ubicación y

espaciamiento de las terminales aéreas de intercepción de rayo, así como

la geometría de la terminal, para obtener un mejor costo- beneficio.

4Niveles de protección del Angulo de protección según el radio de la esfera rodante. NMX-J-549-ANCE-2005.


Por lo anterior, la norma mexicana NMX-J-549-ANCE-2005 referente a los

sistemas de protección contra tormentas eléctricas y en la cual esta

basada mucha de la información de este volumen incluye todo tipo de

terminales aéreas para la protección contra rayo directo, excepto las

radioactivas, siempre y cuando se cumplan las especificaciones de esta

norma, que utilicen como un punto preferente de impacto de rayo y se

instalen conforme al criterio de protección del método de la esfera rodante.

Los resultados obtenidos en investigaciones recientes han creado una

perspectiva de mejoramiento en los criterios de protección contra rayo y

está basado en la inclusión de parámetros adicionales a los ya utilizados

en el método de la esfera rodante. Estos parámetros adicionales sujetos a

investigación son los siguientes:

Efecto sobre los parámetros ambientales de la altura sobre el

nivel del mar en la física de la descarga del rayo.

El efecto cuantitativo de la altura de las terminales aéreas

utilizadas en la protección cuando se encuentran en diferentes

zonas de gradiente de potencial generado por el desarrollo del

rayo.

El efecto de la intensificación del campo eléctrico creado por la

propia estructura o la terminal aérea debido a sus

características geométricas y su impacto en la eficiencia de la

protección.

La variación de la probabilidad de descarga de los diferentes

elementos en la estructura.

Los parámetros físicos de rayo como son: carga eléctrica del

líder, velocidad de propagación tanto del líder descendente como

del líder ascendente, índice de isodensidad y corriente de rayo.


El método de la esfera rodante es un método consensuado

internacionalmente, cuyo principal objetivo es reducir el riesgo de

incidencia directa sobre personas y estructuras en áreas de trabajo o

esparcimiento. La inclusión de parámetros adicionales en el método de

protección para mejorar el costo-beneficio del sistema de protección con

base en terminales aéreas puede implicar la reducción de puntos de

sacrificio para la intercepción del rayo. Es por eso, que los resultados

obtenidos en laboratorio y en campo deben ser avalados y consensuados

internacionalmente a través de la normatividad internacional antes de ser

aplicados, ya que lo que está en juego es la seguridad de las personas y las

instalaciones y su contenido.

2.2.3 Método de la Malla Extendida.

En 1820, Hans Cristian Oersted descubrió la presencia de campos

magnéticos alrededor de un conductor por el cual circula una corriente

eléctrica. Esto originó que científicos de la talla de André-Marie Ampere en

Francia y Michael Faraday en Inglaterra tomaran los resultados de Oersted

para realizar trabajos de investigación en electromagnetismo.

En los siguientes cincuenta años, la intensa campaña de investigación

rindió sus frutos, cuando Clark Maxwell (un alumno de Michael Faraday)

propuso, en 1866, un sistema alterno de protección contra tormentas

eléctricas, el cual se conoce como Jaula de Faraday o una terminal aérea

tipo Malla, desde entonces, tanto el electrodo Franklin como la Jaula de

Faraday se utilizan ya sea en forma independiente o en combinación.


Fig.25 Protección mediante el método de Malla extendida donde los conductoreseléctricos que cubren el área protegida hacen el rol de terminales aéreas de

sacrificio.

El método de la Mallas extendida puede utilizarse para la protección de

superficies planas con el propósito de ofrecer protección en toda la

superficie si se cumplen las siguientes condiciones:

Las terminales aéreas o en este caso, conductores eléctricos se encuentran

ubicadas en:

Las orillas de los techos.

Salientes de los techos.

Cuando las superficies laterales de la estructura a niveles

mayores que el radio de la Esfera rodante están equipadas con

terminales aéreas verticales.


Las dimensiones de la malla extendida no es mayor que los valores

indicados en la Tabla 44, la Malla extendida está definida de tal manera

que la corriente de rayo siempre tendrá la posibilidad de encontrar al

menos dos rutas metálicas distintas a las terminales aéreas conectadas a

tierra donde los conductores de la malla extendida siguen las rutas más

cortas y directas.

Nivel de protección.

Radio de la Esferarodante rs(m) y su

correspondiente valorde corriente de rayo

I(kA)

Método de la mallaextendida.

Tamaño de la malla.

rs(m), I(kA)

I 20(m), 3(kA) 5 x 5 mII 30(m), 6(kA) 10 x 10 mIII 45(m), 10(kA) 15 x 15 mIV 60(m), 16(kA) 20 x 20 m

NOTA: La corriente I(kA) es estimada mediante la ecuaciónrs= 9.4 (I¨2/3) para el radio rs (m) correspondiente.

Tabla 4. Niveles de protección de la Malla extendida según el radio de la esferarodante.

A medida que el radio de la Esfera rodante aumenta, el área de protección

que la Malla extendida brinda disminuye; es decir, entre mas grande es el

área de la Malla la probabilidad de que la protección sea penetrada-

crecerá.

1Niveles de protección de la Malla extendida según el radio de la esfera rodante. NMX-J-549-ANCE-2005.


2.3 Normatividad Nacional e Internacional referente a los

Sistemas de Protección contra Tormentas Eléctricas.

Una vez establecidas a las terminales aéreas como un método de

protección contra descargas atmosféricas, el cual tiene el objeto de brindar

puntos de impacto al rayo y conducirlo hasta un medio de disipación que

no represente peligro alguno tanto para los seres vivos como para las

instalaciones protegidas, es prioritario entonces, establecer la

Normatividad necesaria para realizar diseños de Sistemas de Protección

contra Tormentas Eléctricas (SPTE).

En esta sección se enlistaran las principales y mas importantes

normatividades existentes referentes a los SPTEs; podrá verificarse la

inclusión de los principales aspectos de cada norma, la postura actual

internacional y nacional sobre los medios de protección, así como la

aceptación de riesgo que cada norma avala.

2.3.1 Inicios de la Normatividad.

Casi al mismo tiempo que Preece, Anderson (1879) publicó un libro clave

sobre protección contra tormentas eléctricas titulado “Conductores de

protección contra rayo – Su historia, naturaleza y forma de aplicación”.

Este libro es considerado como la primera norma sobre protección contra

tormentas eléctricas. De hecho, la mayor parte de las recomendaciones

contenidas en el libro de Anderson siguen vigentes y son aplicadas con

éxito.

La Real Sociedad de Meteorología de Inglaterra pidió al Instituto Real de

Arquitectos, a la Sociedad de Física y a la Sociedad de Ingenieros

Telegráficos considerar la publicación de una serie de recomendaciones


para la instalación de los elementos constitutivos de un sistema de

protección convencional contra tormentas eléctricas.

Al final de un intenso debate e intercambio de experiencias, el comité

publicó, en 1882, el “Informe de la Conferencia sobre Electrodos

Pararrayos”, el cual establecía una serie de recomendaciones para la

instalación del sistema de protección contra tormentas eléctricas en

Inglaterra. Las técnicas de protección contenidas en dicho informe fueron

consideradas infalibles en ese tiempo.

En 1904, la Asociación Nacional de Protección contra Incendios (NFPA por

sus siglas en inglés) adoptó y condensó en gran medida las

recomendaciones contenidas en el informe de 1882 dentro de las

“Especificaciones para la Protección de Edificios Contra Tormentas

Eléctricas”, cuyo principal objetivo fue proveer recomendaciones prácticas

para la instalación de un sistema de protección.

La filosofía de dichas especificaciones está contenida en las siguientes

palabras:

“Se ha demostrado que los conductores de protección contra rayo, cuando

son instalados adecuadamente, constituyen un medio de protección. La

limitación que nos impone el enfrentarnos a valores de corrientes

desconocidas puede ser superada suministrando una superficie metálica

suficiente para manejar, absorber y disipar la corriente de rayo que

pudiera presentarse.”

“Al mismo tiempo, la protección suministrada por un conductor dependerá

de la posición relativa de la descarga eléctrica y de los objetos encontrados

a su paso. Cuanto más elevada sea la proyección de dichos objetos sobre el

nivel general a protegerse, menor será la distancia a la nube de tormenta

y, por consecuencia, menor la resistencia ofrecida a la descarga. Por lo


tanto, los objetos elevados serán golpeados más frecuentemente, de ahí la

necesidad de diseñar un esquema de protección adecuado; nuestro deseo

en la preparación de estas recomendaciones es proveer información al

público, con la que pueda obtener un cierto grado de protección,

reduciendo a un mínimo las pérdidas causadas por fuego”.

En el periodo de 1910 a 1950, hubo un gran interés por llevar una

estadística de la efectividad de los sistemas de protección contra tormentas

eléctricas en Estados Unidos. Uno de los registros al que muchos

investigadores hacen referencia es el Iowa Fire Marshal´s records.

McEachron, en 1950, estableció que el 91% de los edificios dañados por

rayo fueron aquellos que no tenían instalado un sistema de protección;

información avalada en los registros de Iowa. Muchos de los elementos

constitutivos de los edificios dañados que no contaban con un sistema de

protección se encontraron en mal estado.

2.3.2 Normas y Recomendaciones.

Los procedimientos recomendados para la protección contra tormentas

eléctricas se encuentran contenidos en normas, que combinan la

experiencia en campo obtenida durante muchos años con pruebas de

laboratorio.

El concepto actualmente utilizado en la protección de edificios y

estructuras contra tormentas eléctricas y recomendado en normas

internacionales lo constituye el método de la Esfera rodante.

El radio de esta esfera corresponde a la distancia crítica de rompimiento

entre el líder descendente y el objeto a ser golpeado. De hecho, este método

clarificó algunos conceptos como el de la mayor cobertura de protección

suministrada por las terminales aéreas para mayores corrientes de rayo,


los casos anteriormente inexplicables de los rayos laterales en estructuras

de gran altura, la mejor protección ofrecida entre dos terminales aéreas y

la mayor incidencia de rayos en terminales aéreas de mayor altura.

Actualmente existen Normas y Recomendaciones que rigen el diseño e

instalación de SPTEs a nivel Nacional e Internacional, las normas son de

carácter obligatorio para la región geográfica donde son aplicadas.

Es clásico que las normatividades mexicanas estén basadas en normas

internacionales avaladas por instituciones serias y reconocidas de

investigación y normalización.

Por su parte las recomendaciones, como es el caso de las Normas

Mexicanas (NMX) en nuestro país son elaboradas por un organismo

nacional de normalización, o la Secretaría de Economía en ausencia de

ellos que prevé para uso común y repetido reglas, especificaciones,

atributos, métodos de prueba, directrices, características o prescripciones

aplicables a un producto, proceso, instalación, sistema, actividad, servicio

o método de producción u operación dirigido a fabricantes y

comercializadores de bienes y servicios.

Las siguientes líneas desarrollan y enlistan las normas Internacionales,

Extranjeras y la normatividad aplicable Nacional.

2.3.2.1 Norma Internacional IEC.

Uno de los objetivos de los estudios realizados en el proceso de la descarga

atmosférica y etapas del rayo es precisamente obtener los parámetros más

significativos del rayo y la evaluación de su impacto en la protección

contra tormentas eléctricas; tanto en la aplicación de la protección externa

basada en las terminales aéreas, los conductores de bajada y las redes de

tierra; así como en la protección interna basada en redes de tierra,


superficies equipotenciales, zonas de protección, blindaje electromagnético

y dispositivos de protección contra transitorios.

El conjunto de resultados obtenidos, junto con la experiencia obtenida en

campo han originado una serie de recomendaciones en las cuales esta

cimentada la normatividad nacional, con el fin de homogenizar los criterios

de protección.

A nivel internacional estas recomendaciones están concentradas en la

norma de la International Electrotechnical Commission (IEC), el cual es un

organismo global que prepara y publica estándares internacionales para el

sector eléctrico y electrónico, los cuales sirven como bases para

normalizaciones nacionales y como referencias, por lo cual es importante

conocer las partes integrales de esta norma IEC-TC-81, Lightning

Protection.

La norma IEC-TC-81 (LIGHTNING PROTECTION) se encuentra conformada

por cuatro secciones, las cuales son:

IEC 1024-1 Protection of structures againts lightning

(Proteccion de Estructuras contra Rayo).

IEC 1312-1 Protection against LEMP or Lightning

Electromagnetic Impulse (Protección contra Impulsos

Electromagneticos de Rayos).

IEC 1662 Assesment of risk of damage due to lightning

(Evaluacion de Riesgo de daño Debido a Rayo).

IEC 1663 Telecommunication lines (líneas de

telecomunicación).

Para fines de estudio en esta tesis acerca de SPTE, se profundiza en la

sección IEC 1024-1 acerca de la protección de estructuras contra rayo.


En el siguiente cuadro se muestra la clasificación de la IEC 1024-1, donde

se parte desde los principios generales de la formación de rayos hasta el

diseño, instalación, mantenimiento e inspección de sistemas protegidos

contra rayos encontrando en la parte intermedia la selección de los niveles

de protección para dichos sistemas.

Fig.26 Clasificación de la IEC 1024-1 para el diseño de un SPTE.

De igual forma se resalta la forma en la que de acuerdo a esta norma se

debe diseñar un SPTE, haciendo una división de la protección en tres

ramas muy importantes establecidas en la IEC 1024-1.


Fig.27 Ramas integrales de la IEC 1024-1.

En cada rama de la figura 27, están establecidos cada uno de los puntos

necesarios para el adecuado diseño de un Sistema de Protección contra

Tormentas Eléctricas; la Protección externa se extiende desde el método

con el que se diseña el SPTE, la clasificación del sistema protegido según

su naturaleza de aislamiento (eléctrico o electrónico sensible), la

instalación de los conductores que conducen la corriente de descarga a

tierra y el sistema de disipación de la energía del rayo o sistemas de puesta

a tierra (SPT).

Aun aunque en caso de descarga, esta sea drenada a tierra o en un medio

capaz de disipar satisfactoriamente tal energía, es necesario proteger a los

elementos humanos y técnicos dentro de la instalación, esto se logra

mediante un Sistema Supresor de Sobretensiones Transitorias (SSTT) y la

Unión Equipotencial (UE) del sistema que es caracterizada por mantener

todos los puntos del área a un nivel homogéneo de potencial eléctrico. Al

igual que en la Protección Externa, es necesario un SPT con el fin de


proteger los elementos humanos y tecnológicos; el SSTT, la UE y el SPT

constituyen la Protección interna de un SPTE según la IEC 1024-1.

La IEC 1024-1 normaliza la inspección y el mantenimiento necesarios

para garantizar que una vez instalado un SPTE, este no pierda su

efectividad con el paso de los años debido a daños ambientales como la

corrosión, daños mecánicos o por circulación de corrientes excesivas.

2.3.3 Normas y Recomendaciones Extranjeras.

Existen también normas nacionales que pueden representar una excelente

referencia, como la Bristish Standard BS-6651 para protección externa e

interna y la norma francesa NFC 17-100, ésta última muy parecida a la

norma IEC.

En Estados Unidos, se tienen las normas National Fire Protection

Association NFPA-780, la Underwriters Laboratories UL 96-A y la

American Petroleum Institute API-2003 para protección contra descargas

estáticas y tormentas eléctricas en instalaciones con peligro de fuego y

explosión. Existen además otras recomendaciones, como son la Federal

Aviation Administration FAA-019C y la DOD Ammunition Safety Standard.

En la figura 28 se enlistan las normas y recomendaciones extranjeras que

representan los mejores criterios de diseño y protección contra las

tormentas eléctricas alrededor del mundo.


Fig.28 Normas y Recomendaciones Extranjeras.

Otra excelente norma lo constituye la norma australiana Australian

Standard AS-1768, que contiene información muy completa sobre el

diseño del sistema de protección interna.

2.3.3.1 Aspectos y características principales de las Normasy Recomendaciones Extranjeras.

Cada una de las normas extranjeras contempla aspectos relacionados a su

materia, por ejemplo la NFPA contempla los aspectos mas importantes en

la aplicación de los sistemas pararrayos con el fin de evitar incendios o

consecuencias originada por el fuego originadas por rayos; por su parte la

norma API regula los procedimientos para dicha protección en lugares

donde se extrae, almacena y se procesa el petróleo.

Cada norma, como se describe a continuación contiene puntos específicos

muy importantes relacionados con el diseño, instalación, inspección y


mantenimiento de sistemas de protección contra tormentas eléctricas de

acuerdo al objetivo que cada una de las normas procura.

2.3.3.1.1 NFPA-780,National fire protection association.

Standard for the installation of lightning protection system.

Establecida en 1896, la NFPA funge en todo el mundo como el líder

mundial avocado a la prevención de incendios y es una fuente de códigos,

estándares, investigaciones, entrenamiento y educación acerca de

seguridad avalada por el American National Standards Institute (ANSI).

Los 300 códigos y estándares de la NFPA influencian el diseño, instalación,

y construcción de todos los edificios, procesos, servicios y sistemas en los

Estados Unidos de Norte América al igual que es una base de muchas de

las normas utilizadas en otros países.

Este estándar contiene 5 capítulos, los cuales son:

Protección de estructuras ordinarias.

Protección de estructuras especiales.

Protección de chimeneas.

Protección de estructuras que contienen sustancias inflamables.

Protección de embarcaciones marinas.

En cada uno de los capítulos se desarrollan los temas contenidos en los

siguientes apéndices:

Inspección y Mantenimiento.

Seguridad de personal.

Protección de animales.

Protección en campo abierto.


Protección de árboles.

Protección de Hangares.

Evaluación de riesgo.

Técnicas de medición.

Principio de unión equipotencial.

Protección de contenedores con explosivos.

Principios de protección.

Mediante el análisis de cada una de las normatividades se pueden

identificar características que las convierten en menor o mayor grado una

herramienta debido a las discrepancias que cada una contiene lo cual se

refleja en el grado de efectividad del diseño del SPTE, esto no quiere decir

que no brinden un eficiente grado de efectividad; por ejemplo, esta norma

utiliza el Método de la Esfera rodante con un radio fijo de 45 m, además de

distancias y alturas limites fijas de las terminales aéreas, deja dudas para

la utilización de la ecuación de la Esfera rodante para la distancia de

protección y no ilustra con precisión la aplicación de este método para

instalaciones con una altura mayor de 45 m.

2.3.3.1.2 AS/NZS 1768 (2003),Australian / New Zealand Standard.

Lightning Protection.

Esta norma fue publicada como AS MC1-1969, posteriormente fue

revisada y rediseñada como AS 1768-1975 para finalmente ser establecida

como AS/NZS 1768 (2003); este estándar propone los lineamientos para la

protección de personas y propiedades ante las consecuencias que una

descarga atmosférica conlleva. La información que la conforma esta

desarrollada en capítulos básicos, los cuales son:

Necesidad de Protección.

Evaluación de Riesgo.


Seguridad de Personal.

Protección de edificios.

Protección de personas y equipo dentro de edificios.

Protección de estructuras misceláneas y propiedades.

Protección de estructuras con productos inflamables.

Prácticas de instalación y mantenimiento.

Cuenta además, con seis apéndices que detallan a profundidad la

normatividad aplicable en Australia y Nueva Zelanda:

Ejemplo de cálculo de riesgo por rayo.

Naturaleza y principios del rayo.

Mediciones de resistencia a tierra.

Distancia de seguridad para un sistema de protección aislado.

Susceptibilidad de equipo ante sobretensiones transitorias por

rayo.

Puesta a Tierra y Unión Equipotencial.

Las recomendaciones que específicamente cubre son:

Protección de personas, en exteriores, donde puede haber un

riesgo de los efectos directos del golpe de un rayo; en interiores,

donde pueden ocasionarse consecuencias indirectas debido a la

conducción de la energía del rayo dentro del edificio.

La protección de una variedad de edificios o estructuras,

incluyendo aquellos con contenidos inflamables o explosivos y

minas.

La protección de equipo electrónico sensible de sobretensiones

resultado de la incidencia del rayo en el edificio.


Este estándar es aplicable a la protección de sistemas convencionales

contra descargas atmosféricas que utilizan pararrayos, conductores de

bajada, sistemas de puesta a tierra y equipo de protección contra

sobretensiones.

2.3.3.1.3 BS 6651 (1999),British Standard.

Code of Practice for Protection of Structures AgainstLightning.

Desde su fundación en 1901 como el Engineering Standards Committee, el

grupo BSI ha crecido como una organización global de negocios

independiente que actualmente opera mediante tres divisiones: BSI British

Standards, BSI Management Systems and BSI Product Services.

El grupo BSI certifica el manejo de productos y sistemas, brinda servicios

de examinacion de productos, desarrolla estándares privados, nacionales e

internacionales; además ofrece entrenamiento e información sobre

estándares y comercio internacional alrededor del mundo.

La norma BS 6651 (1999) ofrece una guía acerca sobre el diseño de

sistemas para la protección de estructuras contra rayos y acerca de la

selección de materiales. Las recomendaciones que contiene son para casos

específicos como almacenes de explosivos y estructuras temporales como

grúas y andamios metálicos por ejemplo.

Las secciones más importantes de esta norma respecto al diseño de un

SPTE son:

Sección 4 – Aspectos técnicos.

Sección 5 – Efectos del rayo.

Sección 6 – Función de la terminal aérea.

Sección 9 – Pasos previos al diseño.


Sección 10 – Necesidad de protección.

Sección 14 – Componentes.

Sección 15 – Terminales aéreas.

Sección 16 – Conductores de bajada.

Sección 17 – Red de puesta a tierra.

Sección 18 – Electrodos de puesta a tierra.

Sección 19 – Aislamiento y UE.

Sección 20 – Estructuras >20m.

Sección 21– Estructuras con techos inflamables.

Sección 22 – Estructuras con explosivos.

Sección 24 – Cercas.

Sección 25– Árboles y estructuras cercanas.

Sección 26– Estructuras con antena de radio y TV.

Sección 27– Estructuras misceláneas.

Sección 29– Estructuras.

Sección 30 – Líneas aéreas de energía.

Sección 31 – Inspección.

Sección 32 – Pruebas.

Sección 33 – Registros.

Sección 34 – Mantenimiento.

2.3.3.1.4 UL 96A (1994),Underwriters Laboratories.

Standard for Installation Requirements for LightningProtection Systems.

De acuerdo a esta norma norteamericana, los requisitos expuestos en ella

cubren y aseguran la correcta instalación de SPTEs en todos los tipos de

estructuras e instalaciones utilizadas para la producción, manejo y

almacenamiento de explosivos, líquidos inflamables o gases y otros

ingredientes explosivos incluyendo polvos y minerales.


Esta norma aplica a SPTEs en edificios completamente cubiertos en todas

las partes que conforman su estructura, las regiones parcialmente

expuestas no son avaladas por esta norma. Es importante destacar que

esta norma no cubre la instalación de SPTEs para sistemas de generación

eléctrica, distribución o transmisión de energía eléctrica.

Una certificación de inspección UL indica que un sistema ha sido revisado

en base a la normatividad correspondiente, esta certificación suscribe la

localización del sistema, el instalador y todos los detalles relevantes de la

inspección de dicho SPTE.

La UL 96A (1994) esta dividida en los siguientes capítulos:

Protección de edificios ordinarios.

Protección de chimeneas.

Protección de estructuras misceláneas.

2.3.3.1.5 API 2003 (1998),American Petroleum Institute.

Protection Againts Ignitions Arising out of Static,Lightning, and Stray Currents.

El desarrollo de concienzudos estándares es uno de los más antiguos y

exitosos programas de API; desde sus inicios con su primer estándar en

1924, API hoy en día posee más de quinientos estándares los cuales

cubren todas las ramas de la industria petrolera. A nivel global, la API esta

estrechamente relacionada con la International Organization for

Standardization (ISO) y otros organismos de normalización.

API es un organismo acreditado por ANSI, que opera con procedimientos

aprobados y bajo constantes auditorias de sus procesos. La API genera

estándares, recomendaciones prácticas, especificaciones, códigos y

publicaciones técnicas que cubren cada segmento de la industria.


El estándar API 2003 (1998), esta compuesto de capítulos de entre los

cuales, los más destacados son:

Peligro de electricidad estática.

Rayo.

Rayo Directo.

Corrientes de rayo indirecto.

Protección de equipo específico.

Protección contra rayo directo.

Corrientes parásitas.

Con tres apéndices complementarios que contienen información acerca de:

Fundamentos de electricidad estática.

Medición y detección de electricidad estática.

Sistemas de protección contra rayo directo.

2.3.3.2 Aceptacion de riesgo.

Todas las normas, en mayor o menor grado, aceptan que no existe una

protección absoluta contra el efecto de las tormentas eléctricas, sino sólo

una protección adecuada, basada en el conocimiento del comportamiento

de la descarga atmosférica y la experiencia obtenida a través de los años. A

continuación se indican los párrafos en los que algunas normas

especifican dicha situación:

2.3.3.2.1 IEC 1024-1, IEC 61024-1 (1990).

“Un SPTE, diseñado e instalado de acuerdo con este estándar no puede

garantizar una protección absoluta de estructuras, personas u objetos; sin

embargo, las aplicaciones de este estándar reducirán significativamente el

riesgo de daño causado por descargas atmosféricas a las estructuras

protegidas por el SPTE.”


2.3.3.2.2 NFPA 780.

“Las recomendaciones técnicas, han notado que el rayo es un estocástico,

y caprichoso proceso de la naturaleza que posee un comportamiento aun

no totalmente comprensible, este estándar intenta proporcionar los

requisitos dentro de los limites del actual estado del conocimiento para la

instalación de SPTEs, la persona que use este documento debería confiar

en su propio criterio al aplicarlo o buscar el asesoramiento de un

profesional en determinar el diseño del SPTE en alguna circunstancia

dada.”

2.3.3.2.3 API 2003 (1998).

“Probablemente, la propiedad más importante del rayo es su complejidad,

por lo que no existe una norma del rayo. No puede asegurarse, en forma

absoluta, la prevención o la disipación en forma segura de la corriente de

rayo, aún cuando se tomen las precauciones conocidas”.

2.3.3.2.4 BS 6651: 1998.

“Esta guía es de naturaleza general, se hace énfasis en que, aún cuando

se suministre protección, el riesgo de daño a la estructura a proteger

nunca puede ser completamente efectiva”.

2.3.3.2.5 AS/NZS 1768-2003.

En general, no es económicamente posible proporcionar una protección

total contra todos los efectos dañinos posibles originados por el rayo, pero

las recomendaciones en este estándar reducirán la probabilidad de daño

para un nivel de protección calculado.


2.3.4 Normatividad Nacional.

A nivel Nacional la reglamentación que regula el diseño y la instalación de

Sistemas de Protección contra Tormentas Eléctricas se encuentra

contenida en las siguientes normas:

NOM-022-STPS-1999

NOM-001-SEDE-2012

NMX-J-549-ANCE-2005

2.3.4.1 NOM-022-STPS-1999.Electricidad estática en los centros de trabajo - Condiciones

de Seguridad e Higiene.

La NOM-022-STPS-1999, que rige en todo el territorio nacional es referente

a las condiciones de seguridad en los diversos centros de trabajo con el fin

de prevenir los riesgos por electricidad estática, la cual es definida por esta

norma como cargas eléctricas que se almacenan en los cuerpos con el

objetivo de evitar descargas al personal o prevenir el inicio de incendios en

los centros de trabajo donde se almacenen, manejen o transporten

sustancias inflamables o explosivas y que por naturaleza de sus procesos

empleen materiales, sustancias o equipos capaces de almacenar o generar

cargas eléctricas estáticas o que estén ubicados en una zona donde

puedan recibir descargas eléctricas atmosféricas.

En la sección 5 de esta norma, es señalado como obligación del patrón,

instalar elementos de captura, sistemas de tierras, sistemas de pararrayos,

equipos y dispositivos para proteger al centro de trabajo de la acumulación

de cargas eléctricas estáticas y descargas eléctricas atmosféricas.

Prohibitivamente dicta el uso de pararrayos que funcionen a base de

materiales radioactivos (dicha causa es expuesta en el capitulo 3 de esta


tesis), así mismo, cita los factores que se deben considerar para la

determinación de la obligación de instalar pararrayos, dichos factores son:

El nivel isoceráunico de la región.

Las características fisicoquímicas de las sustancias inflamables

o explosivas.

La altura del edificio en relación con las elevaciones adyacentes.

Las características y resistividad del terreno.

Las zonas del centro de trabajo donde se encuentren sustancias

químicas, inflamables o explosivas.

El ángulo de protección del pararrayos.

La altura de instalación del pararrayos y el sistema para drenar

a tierra las corrientes generadas por la descarga eléctrica

atmosférica.

La NOM-022-STPS-1999 incluye un apéndice A, el cual trata acerca del

contenido mínimo de los informes de las unidades de verificación y

laboratorios de prueba, de igual manera incluye dos guías de referencia:

Guía de referencia I: Ejemplifica la medición de la continuidad

de los conductores de un sistema de pararrayos.

Guía de referencia II: Se citan ejemplos de equipos e

instalaciones que pueden almacenar y generar electricidad

estática con el fin de conectarse a tierra para evitar las

consecuencias previamente citadas.


2.3.4.2 NOM-001-SEDE-2012. Norma Oficial Mexicana.Instalaciones Eléctricas (Utilización).

La Norma Oficial Mexicana NOM-001-SEDE-2012 cuya observancia es de

carácter obligatorio en todo el país, contiene una serie de aspectos técnicos

relacionados con la seguridad y la correcta funcionalidad de los equipos

eléctricos, por lo que el personal técnico relacionado con las instalaciones

eléctricas de utilización, dedicado a las tareas de Proyecto, Diseño y

Construcción, Verificación y Mantenimiento de Instalaciones Eléctricas de

utilización, debe conocer a profundidad para poder aplicarlos de una

manera correcta.

Respecto a lo que se refiere al diseño de Sistemas de Protección contra

Tormentas eléctricas, esta norma incluye algunos rasgos erráticos que

pueden contribuir al mejoramiento de dicho diseño, dichos casos se

mencionan a continuación:

Art. 250-46. Separación de los conductores de bajada de los

pararrayos.

Art. 250-83. Puesta a tierra, donde hace mención de los

electrodos especialmente construidos para utilización del SPT,

recordando que como se explica en el capitulo 3, la suma

importancia del SPT en el diseño de un SPTE.

Art. 250-86. Sistema de electrodos de puesta a tierra de

pararrayos, se explican las limitaciones de los electrodos de

puesta a tierra en los casos en los que se involucren terminales

aéreas pararrayos.

800-13. Sobre la distancia mínima de separación de los

conductores de bajada de pararrayos en comparación con los

conductores pertenecientes a circuitos de comunicaciones, se

establece una distancia de 1.8m.


Debido a que existen casos en que la Norma Oficial Mexicana ofrece una

cobertura no especifica para situaciones como el diseño de SPTEs, es

necesario echar mano de herramientas alternas como las Normas

Mexicanas (NMX), las cuales se han elaborado detalladamente en base a

métodos comprobados y reconocidos con el fin de aumentar la eficiencia y

efectividad del diseño de sistemas eléctricos.

2.3.4.3 NMX-J-549-ANCE-2005.Sistema de Protección contra Tormentas Eléctricas,

Especificaciones,Materiales y métodos de Medición.

Las Normas Mexicanas (NMX), tienen por objetivo el de expedir y difundir a

nivel nacional normas las cuales no son de carácter obligatorio pero que,

en base a métodos establecidos científicamente, son elaboradas por un

organismos nacionales de normalización, o la Secretaria de Economía en

ausencia de ellos, de conformidad con lo dispuesto en el articulo 54 de la

Ley Federal del Trabajo de Metrología y Normalización, que prevé para uso

común y repetido reglas, especificaciones, atributos métodos de prueba,

directrices, características o prescripciones aplicables a un producto,

proceso, instalación, sistema, actividad, servicio o método de producción u

operación, así como aquellas relativas a terminología, simbología,

embalaje, marcado o etiquetado en donde los beneficiarios son los

fabricantes y comercializadores de bienes y servicios.

Esta Norma Mexicana establece las especificaciones, diseño, materiales y

métodos de medición del sistema integral de protección contra tormentas

eléctricas, para reducir el riesgo de daño para las personas, seres vivos,

estructuras, edificios y su contenido, utilizando como base el método de la

esfera rodante reconocido internacionalmente.


Esta Norma Mexicana no es equivalente con las normas internacionales,

IEC 61024-1, IEC 61024-1-1, IEC 61024-1-2. Lo anterior, es debido a que

la norma internacional limita el criterio de protección a estructuras cuya

altura sea menor o igual que 60 m. Sin embargo, la Norma Mexicana

incluye estructuras sin limitación de altura.

La Norma Mexicana difiere con la Norma Oficial Mexicana NOM-001-

SEDE-2012, en lo referente a sistemas de puesta a tierra, distancia de

seguridad (de separación), terminales aéreas (varillas de pararrayos),

conductores de bajada (bajadas) y unión equipotencial (puentes de unión),

debido a que la NOM-001 contempla estos conceptos de forma genérica y

la Norma Mexicana los analiza desde el punto de vista particular de la

protección contra descargas atmosféricas, lo que la convierte en una

esplendida guía de diseño para elaborar SPTEs eficazmente.

Por su aplicación y relevancia en el territorio nacional, en el capitulo 4 de

esta tesis, esta establecido el procedimiento del diseño de un SPTE en base

a la norma NMX-J-549-ANCE-2005.

Capítulo 3

Terminales aéreas Convencionales y noConvencionales. Controversia Mundial.

CAPITULO 3. TERMINALES AÉREAS CONVENCIONALES Y NO CONVENCIONALES. 82

3 Terminales aéreas Convencionales y noConvencionales. Controversia Mundial.

Este capitulo tiene por objetivo el de resaltar las propiedades,

cualidades, deficiencias, principios de operación y reconocimiento de la

normatividad mundial de cada uno de los sistemas actualmente

aplicados para la protección contra descargas atmosféricas alrededor

del mundo, es un menester y uno de los objetivos principales de esta

tesis el de establecer la controversia mundial entre la utilización de

pararrayos basados en el electrodo franklin y pararrayos por

denominarlos de una forma, basados en principios de operación que

según sus fabricantes aumentan sustancialmente la capacidad de

protección, declinando de esta manera la utilización y aplicación de la

normatividad mundial mencionada en el capitulo 3 de este trabajo.

Como se establece en capítulos anteriores, los métodos de protección

contra tormentas eléctricas reconocidos y normalizados están basados

en el uso de terminales aéreas que cumplen el papel de terminales de

sacrificio o puntos de impacto del rayo que a su vez se encuentran

interconectados a un medio capaz de drenar y disipar la energía

liberada por la descarga. Dichas terminales no son más que una

aplicación del Electrodo Franklin.

Como en todos los sistemas de protección, existe la tendencia de

mejorar la protección contra rayo a través de un aumento en la

eficiencia de las terminales aéreas. En los últimos cuarenta años, se

han venido proponiendo nuevas tecnologías para incrementar la

eficiencia en las terminales aéreas. Estas nuevas tecnologías están

basadas en un supuesto mejoramiento del original Electrodo Franklin,

dichas mejoras son:


Un baño de oro en las puntas pararrayos para reducir la

resistencia en la circulación de la corriente de rayo.

Terminales Aéreas con formas especiales, utilizando diversas

formas como “erizos” o puntas adicionales con el objeto de

“incrementar” la distancia de atracción del electrodo pararrayos.

Electrodos radiactivos.

Tecnología ESE (Early Streamer Emission).

Tecnología CTS (Charge Transfer System).

Las dos primeras modificaciones han demostrado, a través de los años,

no ser tan efectivas como se suponía. Para el caso de los llamados

“erizos”, el problema principal es que su costo es muy elevado sin ser

un medio de protección efectivo. Además, la filosofía de su operación se

realiza en un marco pseudotécnico, difícil de entender desde el punto de

vista científico.

Debido al funcionamiento de la variedad de terminales aéreas y a las

teorías que avalan su eficiencia, hoy por hoy, podemos dividir la

protección mundial de sistemas en dos tipos principales:

Protección Convencional de Sistemas contra Tormentas Eléctricas.

Protección No convencional de Sistemas contra Tormentas

Eléctricas.

3.1 Protección Convencional de Sistemas contraTormentas Eléctricas.

El propósito de un SPTE es el de prevenir o aumentar la reducción de

daños producidos por un alcance de rayo directo o cercano a la

instalación protegida. Un SPTE convencional es diseñado para prevenir

los daños por medio de un número de terminales aéreas las cuales

están unidas eléctricamente a caminos de baja impedancia que

conducen las corrientes a tierra. Los principios básicos de la protección


convencional han sido empleados en numerosos estándares, tales como

el NFPA-780 en Estados Unidos o el IEC 1024-1.

El principal componente de los estándares es el Electrodo Franklin que

fue inventado hace mas de 250 años, actualmente esta aplicación es

aun utilizada alrededor del mundo y ha sido recientemente validada en

dos grandes estudios, el primero por American Geophysical Union 1 y

por la Federal Interagency Lightning Protection User Group2, la cual es

un cuerpo técnico que representa a los Estados Unidos.

En un edificio normal, varios electrodos Franklin son dispuestos en

diferentes puntos del techo que probablemente pueda ser alcanzado por

una descarga atmosférica, de esta forma el rayo tendrá una alta

probabilidad de impactar en los electrodos en lugar de el techo. De esta

manera, el edificio se considera como protegido contra descargas

atmosféricas

Las otras componentes de un SPTE son los conductores de bajada y las

terminales a tierra; la función de los conductores de bajada es la de

conducir seguramente la corriente de rayo del pararrayos a una

terminal en tierra. La función de la terminal aterrizada es disipar

seguramente la gran corriente dentro de la tierra efectivamente.

Debido a su construcción y que no esta protegido por una patente, el

electrodo Franklin tiene un costo inferior en comparación con un

sistema No convencional.

1 Report of the Committee on Atmospheric and Space Electricity (CASE) of the AmericanGeophysical Union on the Scientific Basis for Traditional Lightning ProtectionSystems.

2 “The Basis of Conventional Lightning Protection Technology, A review of the scientificdevelopment of conventional lightning protection technologies and standards”.


3.2 Protección No Convencional de Sistemas contraTormentas Eléctricas.

Durante los años 70’s, tres tipos de terminales aéreas No

Convencionales habían sido comercialmente reinventadas e

introducidas en el Mercado mundial; estas son la terminal aérea para la

prevención del rayo o Charge Transfer Systems (CTS), la terminal aérea

que tenia por objetivo atraer significativamente el rayo o Early Streamer

Emission (ESE) y las terminales aéreas radiactivas.

La instalación de cada una de estas terminales propone que solo una

terminal es instalada en el centro del techo de una instalación sencilla o

en un alto edificio de apartamentos por ejemplo, generando una amplia

área de protección, para edificios con una gran área, pueden ser

instaladas dos o más terminales igualmente espaciadas una de otra.

Los electrodos radioactivos basan su efectividad en un incremento en el

nivel ionizante alrededor de la punta pararrayos. Desafortunadamente,

este nivel de ionización es muy pequeño comparado con el nivel de

ionización producido por el líder descendente antes de producirse la

descarga eléctrica de rayo. El uso de este tipo de electrodos ha sido

prácticamente prohibido debido a los riesgos de exposición del público

en general a la radioactividad.

Como su nombre lo implica, la terminal aérea que previene el rayo (CTS)

sugiere una capacidad de evitar la formación de rayo y por lo tanto

proteger las instalaciones amenazadas por dicho efecto.

Por otro lado, la terminal aérea que atrae el rayo (ESE) sugiere una

capacidad de brindar una protección donde en ningún caso la descarga

caerá en el edificio debido a su alto nivel de atracción del rayo en

comparación con el electrodo Franklin.


En realidad, los creadores de estas terminales no convencionales nunca

han ofrecido base científica alguna capaz de demostrar la efectividad de

su invención. Ninguno de los “documentos científicos” que se han

publicado en los últimos treinta años han sido verificados por la

comunidad científica especializada.

Además de esto, los inventores de estos sistemas no han sido capaces

de documentar pruebas validas de que sus sistemas funcionan

correctamente, sin embargo, se impulsan por medio de propagandas

anecdóticas que han sido obtenidas de “clientes satisfechos”.

Debido a estas razones, los creadores y fabricantes no han sido capaces

de obtener la aprobación de la normalización oficial por parte de los

cuerpos nacionales e internacionales de normalización que rigen el

estudio de esta materia. Por lo tanto, las “normas” que utilizan este tipo

de terminales aéreas no convencionales son clasificadas como “non-

standard” por academias, científicos y la variedad de organismos

normativos alrededor del mundo.

A continuación, se establece el funcionamiento de las terminales

pertenecientes a cada división, incluyendo la panorámica actual

internacional que las rodea, el objetivo es el de profundizar en la

controversia mundial entre el uso de cada protección (Convencional y

No Convencional) y ofrecer al lector las herramientas necesarias para

formar un criterio propio acerca de las tecnologías aplicables a los

SPTEs.


3.3 Aplicación de la Protección Convencional deSistemas contra Tormentas Eléctricas.

Los SPTEs convencionales consiste en el uso de terminales aéreas en

las partes más altas de los edificios, un buen sistema de puesta a tierra

junto con una unión por medio de conductores los cuales trazan un

camino de baja impedancia.

Otra parte esencial de los SPTEs son los aterrizamientos de las partes

metálicas expuestas a la descarga para prevenir flameos laterales, al

igual que los supresores de sobretensión para proteger los equipos

electrónicos.

La protección convencional, asegura sustancialmente la reducción de

daño generado por el rayo, de la misma manera establece que no evita

descargas atmosféricas o que los rayos serán colectados por los

pararrayos instalados. Los estándares reconocen que existe una

probabilidad finita de que el rayo (particularmente las bajas corrientes

de rayo) burle la protección, y que la seguridad en la protección se vera

incrementada con un aumento en la densidad de pararrayos instalados.

Para validar las aseveraciones de los SPTEs convencionales es necesario

demostrar que:

Existe un método normalizado para determinar la localización y el

espaciamiento de los pararrayos con el objetivo de colectar la

mayoría de las descargas atmosféricas.

El SPTE reduce significativamente el daño originado por la

descarga atmosférica.


3.3.1 Principio de funcionamiento de las terminalesaéreas tipo Franklin.

En un clima tranquilo la tierra es considerada un conductor eléctrico

que lleva carga negativa. La correspondiente carga positiva reside en la

atmósfera, ésta carga y la tierra representan un conductor esférico muy

largo, la atmósfera intermedia esta sujeta a un campo eléctrico que es

perpendicular a la superficie de la tierra. De acuerdo a las condiciones

del clima, este campo eléctrico tiene polaridad positiva y su magnitud es

aproximadamente 100V/m.

Bajo el centro de carga de una nube de tormenta, el campo eléctrico

puede alcanzar valores de 20,000 V/m, este campo eléctrico decrece

rápidamente conforme se incrementa la distancia en forma vertical,

pero a distancias de hasta 5 km desde el centro de carga de la nube, el

campo eléctrico todavía puede alcanzar 5000V/m.

Un conductor vertical crea distorsión en este campo eléctrico, esto

produce una intensa concentración de campo en la punta del

conductor. Si el campo es intenso ocurre la ionización por colisión,

ocasionando con esto, que los iones positivos sean trasportados de la

tierra a la atmósfera a través del conductor. La corriente resultante es

llamada corriente corona.


Fig.29 Concentración de campo en la punta del conductor debido a ladistorsión que este crea con el campo eléctrico de la tierra.

El movimiento de iones es gobernado por la dirección del viento, para

formar bolsas de carga espacial positiva en la atmósfera. Las descargas

corona y la resultante carga espacial juegan un papel importante en el

desarrollo de la descarga del rayo y la acción del pararrayos. Las

descargas corona también son producidas por árboles, hojas de césped,

incluso rocas afiladas y piedras.

La amplitud de la corriente corona es función del campo eléctrico, la

altura del conductor sobre el nivel de tierra a la que es producida la

corriente y la velocidad del viento. Para un conductor de algunas

decenas de metros de altura en una región abierta la corriente corona

total es de unos cuantos microamperes.

La descarga corona genera microdescargas que se convertirán en lideres

ascendentes; en la ausencia de objetos puntiagudos, algunos lideres

ascendentes pueden ser creados desde la tierra llana. El líder

ascendente continúa su propagación sobre la condición de un valor

mínimo de un campo eléctrico sostenido.


Fig.30 Lideres ascendentes generados a partir de las microdescargas de lascorrientes coronas.

3.3.2 Materiales constitutivos del electrodo Franklin.

Según la norma NMX-J-549-ANCE-2005, el pararrayos, analizado bajo

el concepto del electrodo Franklin, debe ser construido con materiales

capaces de brindar una alta conductividad y durabilidad, como los

mencionados en la tabla 53; su característica básica es la terminación

en una punta denominada punta simple Franklin, la cual no tiene

ningún dispositivo electrónico ni fuente radioactiva o de ningún tipo, su

medida esta en función de cada fabricante, sin embargo la norma ,

NMX-J-549-ANCE-2005 recomienda una altura de 3m por encima del

objeto a proteger, verificando en todo momento la cobertura de

protección en el diseño.

3Materiales y dimensiones mínimas de las terminales aéreas. Tabla 11, NMX-J-549-ANCE-2005.


El número y ubicación de los pararrayos deben calcularse de acuerdo a

su posición y al nivel de protección al que se calcula el SPTE.

Material Sección transversal (mm2)

Cobre 35Aluminio 70

Acero Inoxidable 50Nota: Para el acero inoxidable tipo aleación 304.

Tabla 5. Materiales y dimensiones mínimas de las terminales aéreas.

3.4 Aplicación de la Protección No Convencional deSistemas contra Tormentas Eléctricas.

Dentro de las terminales aéreas no convencionales se encuentra la

siguiente clasificación:

Pararrayos Radiactivos

Pararrayos ESE (Early Streamer Emission Air Terminals).

Pararrayos tipo CTS (Charge Transference System).

3.4.1 Pararrayos Radiactivos.

El beneficio declarado por el fabricante es un aumento sustancial en la

distancia de protección, con base en la emisión temprana del Streamer.

El pararrayos radiactivo es un pararrayos sencillo con un elemento

radiactivo agregado adjuntado en un recipiente cerca de la punta,

generalmente el material radiactivo es (radio 226), (kurchatovio 85) y

(cobalto 60). La fuente radiactiva crea una ionización aérea importante

alrededor de la punta del pararrayos, mientras aumenta el número de

electrones, el pararrayo es capaz empezar la primera fase del proceso de

conexión.


Fig.31 Pararrayos radiactivo.

Existen algunos resultados experimentales en laboratorio que muestran

cómo las terminales radioactivas proveen de una ventaja en altura de

10 cm para arcos eléctricos de un metro de longitud. Sin embargo en

posteriores experimentos con arcos de longitudes alrededor de 5 metros

no se pudo observar un incremento mayor a los 10 cm, lo que cuestiona

la factibilidad de extrapolar este incremento para una descarga eléctrica

atmosférica.

La realidad es que las partículas radiactivas que se utilizan en estos

productos solo pueden avanzar algunos centímetros en el aire por lo

que la ionización que produzcan será solo en el espacio inmediato a la

punta, tanto en condiciones naturales como de laboratorio, así que

existen razones para pensar que el incremento ofrecido en la distancia

de protección sería también del orden de centímetros.


3.4.2 Pararrayos ESE (Early Streamer Emission).

Un SPTE basado en terminales aéreas ESE es similar a un SPTE

convencional, consiste de igual manera de terminales de sacrificio, un

buen sistema de puesta a tierra e interconexiones de baja impedancia

entre ellos.

La diferencia elemental entre un sistema ESE y el convencional es que

las terminales ESE aseguran poseer un gran incremento en la zona de

protección, y por lo tanto, una reducción considerable del número de

terminales aéreas y los conductores de puesta a tierra asociados al

sistema. El radio de protección típicamente ofrecido por los fabricantes

es de 100m.

Fig.32 El volumen de protección ESE es de hasta 100m según los fabricantes.

La terminal aérea con un gatillo electrónico es un dispositivo sencillo

con un circuito electrónico agregado, que según sus fabricantes es

posible producir la ionización aérea para crear a un líder ascendente

mediante la generación de chispas alrededor de la punta del dispositivo.

La ionización aérea puede activarse en un momento fijo.


Según el fabricante, las terminales aéreas piezoeléctricas obtienen la

energía necesaria para su funcionamiento de un elemento del

piezoresistivo que usa el poder del viento como generador. La parte más

alta del pararrayos descansa en un tablero cerámico. El viento mueve la

parte superior de la terminal aérea que comprimirá el elemento piezo-

eléctrico para que éste oscile. La tensión mecánica se transforma en

voltaje eléctrico por medio del elemento del piezoresistivo.

El beneficio declarado por el fabricante es un aumento sustancial en la

distancia de protección, con base en la emisión temprana del Streamer.

La generación temprana del Streamer, de acuerdo con el creador,

incrementa la altura de la terminal en base a la formula:

∆L = v ∆T …………………… Ecuación no. 12

Y de la misma manera aumenta el radio de protección Rp, basándose

en la formula:

Donde v es la velocidad del Streamer y ∆T es el tiempo de ventaja de la

terminal ESE. Los valores típicos de ∆T son de 50 a 300 µs y los valores

utilizados por los fabricantes para v son de 106

m/s. Este resultado

origina una gran ∆L o longitud del líder ascendente que va desde

decenas hasta cientos de metros, lo que significaría un aumento

impresionante de la región de protección.

Sin embargo, algunas pruebas de laboratorio con líderes positivos

indican que, en su fase inicial, la velocidad del líder ascendente está en

el rango de 1-2 *104

m/s, aumentando conforme el líder avanza hasta

llegar a un valor del orden de 106

m/s. Estos resultados pueden

considerarse válidos en la primera etapa del líder ascendente en rayos

naturales, ya que el fenómeno involucrado en su fase inicial es el


mismo. Considerando este rango de velocidad y la misma ganancia de

tiempo, el incremento en la distancia de protección sería de tan solo 20

a 100 centímetros, si bien esta distancia es una ganancia en

comparación con el electrodo Franklin, este ultimo electrodo puede

equiparar la ganancia de distancia con el simple hecho de levantar la

terminal aérea un metro por arriba de la estimación original.

Fig. 33 Comparación de la zona de protección entre un electrodo Franklin (ds)

y una terminal ESE (ds+∆L ) de acuerdo a la teoría de funcionamiento ESE.

Es importante destacar que la micro-descarga inicial no siempre

garantiza la propagación del líder ascendente, porque aún cuando se

inicie la microdescarga, 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.

Los dispositivos ESE encuentran su mayor oposición en el hecho de que

la insuficiencia del campo eléctrico ambiental condenará a cualquier

líder iniciado artificialmente a desvanecerse en el aire nulificando

cualquier ventaja que se pudiera obtener con la diferencia de tiempo

que provee la emisión temprana.


Es importante señalar que la diferencia de precios entre un sistema

ESE y el electrodo Franklin es muy desigual, siendo el electrodo

Franklin un elemento sumamente barato de la instalación debido a sus

construcción y el hecho de no contar con una protección de patente, en

cambio la terminal ESE debido a los “dispositivos” electrónicos que

operan su funcionamiento tiene un valor económico elevado.

Como se menciona anteriormente, existen “normas” creadas por los

fabricantes para respaldar las terminales aéreas no convencionales, a

continuación se cita un ejemplo de este tipo de estándares.

Fig.34 Terminal ESE equipada con un generador electrostático eólico y undispositivo de laser que según el fabricante es capaz de atraer los rayos, el

inventor también asegura que no necesita ser instalado sobre el edificio paraprotección de rayos directos


3.4.2.1 Francia, ESE “estándar”, NFC 17-102

Este estándar fue publicado por GIMELEC, la cual se define como una

agrupación de industrias de equipamiento eléctrico en Francia; en

1995, con el objetivo de estandarizar la manufactura, examinaciòn e

instalación de terminales aéreas tipo ESE.

El estándar NFC 17-102 ha sido copiado por otros fabricantes no

franceses con el fin de aplicar esta norma en diversos países, como por

ejemplo España.

La NFC 17-102 fue criticada en un reporte en el año 2001 por la

Agencia Científica Francesa, INERIS, con el fin de no ser implementada

por los fabricantes de terminales ESE, la critica fue aceptada por los

fabricantes, los cuales acordaron realizar una revisión del documento,

mas sin embargo estos no realizaron modificación alguna en su

proceder, por lo tanto las terminales aéreas actualmente utilizadas

alrededor del mundo no han solo fallado en el cumplimiento de las

normas nacionales e internacionales sino que también han fallado en el

cumplimiento de los propios estándares de manufactura.

Otro punto de la recomendación por parte del Instituto Nacional De

Evaluación De Riesgo De Francia, fue el de modificar la norma NFC 17

102, ya que el aumento en el volumen de protección esta

sobreestimado. Estas modificaciones según el reporte, deberán ser

avaladas por un comité científico, internacional. Mientras tanto se

recomienda no utilizar los criterios de la NFC 17 102 para equipos ese

en la protección de aéreas clasificadas.

Siguiendo con el rechazo de las tecnologías ESE, la NFPA emitió un

desacuerdo en el año 2000, esto propicio que varias empresas

vendedoras de estos sistemas llevaran el problema a la corte, alegando

“practicas tradicionales injustas”, sin embargo después de que expertos


en la materia fueron llamados a declarar, la corte emitió un veredicto

prohibiendo a los vendedores asegurar que sus productos proveen una

zona de protección mucha mas grande que la del electrodo Franklin; la

corte decidió que las aseveraciones hechas por los vendedores

constituían una violación a la ley de USA.

3.4.3 Pararrayos tipo CTS (Charge Transference System).

Según los fabricantes, estos dispositivos permiten liberar carga vía

descarga corona a múltiples puntos afilados llamados series de

dispersión, con el propósito de lograr descargar la celda cargada de la

nube de tormenta, eliminando cualquier posibilidad de relámpago

inhibiendo al líder descendente. También ofrecen reducir el campo

eléctrico cerca de el arreglo intentando con esto evitar la creación de un

líder ascendente y así impedir el proceso de contacto para evitar que el

rayo golpee la estructura protegida o cualquier otro punto, eliminado la

posibilidad de un impacto en el edificio protegido o el mismo

pararrayos; es decir, en estos pararrayos nunca incidirá una descarga

atmosférica.

Un sistema de transferencia de carga o CTS por sus siglas en ingles,

consiste típicamente en un arreglo de muchas puntas conductivas

afiladas que guardan una posición vertical sobre el edificio que esta

siendo protegido.

La corriente corona de las puntas en el arreglo, tentativamente

transfiere una significativa cantidad de carga hacia una región dentro

del espacio debajo del cual esta el arreglo. La primera aseveración del

sistema CTS es que esta carga especial sobre el arreglo, previene la

formación de las descargas atmosféricas en el edificio protegido.

La discusión en el uso y aplicación de los sistemas CTS puede ser

primeramente basada en las aseveraciones hechas por los fabricantes

en base a las modificaciones acerca de los mecanismos que los sistemas


CTS ocupan para la “protección”, las cuales con el paso de los años se

han ido modificando. El hecho es que todos los mecanismos propuestos

en base a la teoría CTS dependen de la generación o un significante

reforzamiento de la corriente corona para lograr la eliminación de la

carga en la nube que podría originar el rayo. Por lo tanto hay dos

preguntas primordiales que debemos plantearnos en el funcionamiento

y efecto de estos sistemas:

¿Los sistemas CTS producen realmente un incremento

significativo de la corriente corona?

¿La transferencia de carga previene realmente el rayo?

3.4.3.1 Corrientes Corona de los sistemas CTS

Se han realizado numerosos estudios acerca de las corrientes corona

que se generan en puntos aislados debajo de una nube de tormenta,

estos estudios han demostrado que las corrientes corona que se

generan en estos puntos están en un rango que va desde unos pocos

milésimos de microampers hasta unos pocos decimos de microampers;

ha sido reportado que los resultados varían dependiendo de las

condiciones en las cuales las mediciones fueron hechas y el punto

espacial de la medición.

En un laboratorio, un arreglo de 8 puntas dio una corriente de 8 veces

la corriente de una sola punta, este hecho realmente puede reforzar la

teoría CTS; pero en un experimento de campo, el mismo arreglo de 8

puntas origino una corriente de la mitad de una punta. La razón para

esta discrepancia es que las condiciones del laboratorio y el campo son

diferentes, en el laboratorio un electrodo cercano es usado para crear

un fuerte campo eléctrico necesario para generar el efecto corona de los

puntos. Cuando el efecto corona es emitido el electrodo colecta los iones

de carga espacial, así que la carga no se acumula sobre las puntas y la

carga espacial emitida por una punta no influencia significativamente el

campo de una punta cercana a ella.


Bajo una nube de tormenta no existen electrodos cercanos para colectar

la carga espacial emitida, entonces los iones de carga positivos migran

lentamente hacia la carga negativa en la nube, por lo que la carga

emitida por una punta puede bloquear y reducir la emisión de carga de

una punta cercana.

Para determinar si un arreglo CTS acrecienta o no la emisión de la

corriente corona, es necesario medir la corriente que se origina en un

arreglo en campo cuando se somete a la influencia de una nube de

tormenta.

Algunos experimentos a nivel internacional son los siguientes:

Después de que el cohete espacial Apollo 15 fue golpeado por un

rayo mientras estaba en el área de lanzamiento en 1971, la NASA

instituyo un programa de choque para mejorar el SPTE en el

centro espacial Kennedy, como parte de este programa se

instalaron varios arreglos CTS en las instalaciones de la florida

que fueron monitoreados por la NASA. Las corrientes corona

fueron monitoreadas desde varios arreglos al igual que desde

varios puntos aislados. Los datos arrojados por la

experimentación mostraron que la máxima corriente para un gran

arreglo CTS a 35m de altura bajo una severa tormenta estuvieron

por debajo de los 40µA, y que en una simple punta a 17m de

altura siempre daba más corriente corona que un arreglo CTS a la

misma altura.

Durante los veranos de los años 2001 y 2002, en el laboratorio

de investigación de nubes de tormenta y descargas atmosféricas

del Tecnológico de Nuevo México, fueron conducidas dos

mediciones en dos arreglos multipuntas CTS; uno de los arreglos

consistía en una esfera con 100 puntas equidistantes, la esfera


tenia un diámetro de medio metro; por otra parte el segundo

arreglo consistía en un arreglo cilíndrico con 700 puntas y un

área de 3m3.

La corriente corona de la esfera fue, en comparación con una

punta simple, del doble de su valor y la corriente corona de el

arreglo cilíndrico fue menor que la corriente de una punta simple

a la misma altura.

En base a estos hechos, no hay evidencia de que los arreglos CTS

acrecienten la emisión de corrientes corona bajo la influencia de una

nube de tormenta.

Los vendedores de los sistemas CTS, para respaldar sus ofertas,

aseguran que sus sistemas son 99.7% efectivos, para poder realmente

sostener esto tendrían que contar con instrumentación instalada para

monitorear la incidencia de rayos en un área especifica de sus

instalaciones. Actualmente no hay evidencia publica de que esto se

halla llevado a cabo, en lugar de eso existen testimonios de usuarios

quienes establecen que desde la instalación de estos arreglos, sus

problemas de daños por rayos han sido reducidos o eliminados, sin

embargo, una reducción o eliminación del daño originado por el rayo no

es lo mismo que asegurar la eliminación de la incidencia de rayos.

Se pueden encontrar diversos arreglos CTS en el mercado, a

continuación se enlistan los más populares y algunas características

constructivas.


Fig.35 Arreglos multipuntas CTS, estos diseños, según su fabricante soncapaces de inhibir la formación de la descarga atmosférica.

a) Disipador tipo sombrilla: Está hecho con hilos de acero y

protuberancias puntiagudas. Contiene aproximadamente 300 alambres

dispuestos en hilos radiales con una separación de 7 centímetros que

dan forma a una “sombrilla” de 6 metros de radio y 2 metros de alto

generalmente.

b) Disipadores híbridos: Estos tienen la forma de un erizo y suponen la

eliminación de la mayor parte de los rayos que se presentan en la

naturaleza. Para aquellos que no son eliminados, el dispositivo actuaría

como una punta común.

c) Disipadores cónicos: Estos constan de hilos de acero con

protuberancias puntiagudas dispuestos en forma cónica y se utilizan

para la protección de torres de gran altura.


d) Disipadores de dona: Como su nombre lo indica, estos tienen forma

de dona, donde el núcleo circular está hecho de acero, sobre éste se

tiene una gran cantidad de “agujas” que van desde los 7.5 hasta los 35

centímetros de largo.

e) Disipadores cilíndricos: Constan de tres unidades con

aproximadamente 14000 “agujas” cada una. Se ubican cerca de la

punta de la estructura con un espaciamiento de 120º.

3.4.3.2 Normatividad internacional referente a lossistemas CTS.

Tanto la tecnología ESE como la tecnología CTS han insistido mucho

para que sus criterios de protección sean avalados y difundidos en las

normas internacionales.

En un esfuerzo por ser incluida en la NFPA, la tecnología ESE recurrió a

los procedimientos legales. En 1991 se constituye el Comité Técnico

Sobre la Protección Contra Rayo Utilizando Dispositivos ESE. En 1993

se propone la norma correspondiente, conocida como NFPA 781. En el

mismo año, la iniciativa se regresa nuevamente al comité técnico. En

1994 se presenta una demanda de inconformidad, por lo que la NFPA

recurre a una tercera instancia, constituyendo un Consejo Evaluador

para la reevaluación de la tecnología. En 1995, el Consejo determina no

publicar la NFPA 781 debido a la falta de evidencia en el aumento de

protección ofrecido por los dispositivos ESE, por lo que la compañía

Heary Brothers toma acción penal contra la NFPA. En 1998 se

reconsidera nuevamente la evaluación y publicación de la NFPA 781,

por lo que el Consejo determina la intervención de una tercera instancia

para la reevaluación, a cargo del Dr. John L. Bryan. En 1999 y de

acuerdo con los resultados del documento Bryan, el Consejo votó por no

publicar la norma de protección contra tormentas con base en los

dispositivos ESE.


En el documento Bryan, sin embargo, existen algunos puntos

importantes que merecen un análisis cuidadoso. Por ejemplo, el

documento establece lo siguiente:

Los dispositivos ESE tienen bases técnicas ya que, en general,

son equivalentes a las terminales aéreas convencionales.

Sin embargo, tanto las terminales aéreas convencionales como los

dispositivos ESE parecen no tener una base científica sólida, de

acuerdo a las pruebas de campo bajo condiciones naturales.

La tecnología ESE no tiene una base sólida respecto al área de

protección mejorada o al sistema de conexión a tierra, de acuerdo

a sus criterios de instalación como un sistema completo de

protección.

Las pruebas de laboratorio realizadas para los dispositivos ESE se

consideran con bases sólidas y adecuadas en cuanto a cantidad y

finalidad, pero están limitadas en cuanto a que no son

equivalentes para una evaluación bajo condiciones naturales de

ocurrencia del rayo.

En un caso sin precedente, 17 científicos de 15 países miembros del

Comité Científico de la Conferencia Internacional sobre Protección

contra Rayo (ICLP por sus siglas en inglés), una de las conferencias

internacionales de mayor prestigio en su género, establecieron su total

oposición al uso de la tecnología ESE, entregando sus comentarios a la

NFPA con respecto a la reevaluación de la norma NFPA 781.

La información entregada a la NFPA por parte del Comité Científico de

la ICLP puede condensarse en los siguientes puntos:

La operación de los ESE no ha sido probada bajo condiciones

naturales de rayo y las pruebas de laboratorio han sido muy

limitadas en demostrar el aumento en la distancia de protección,


demostrando además que el comportamiento de un dispositivo

ESE y una terminal aérea convencional son similares.

La norma propuesta por la tecnología ESE no distingue entre los

diferentes tipos de descargas, lo que indica un claro

desconocimiento de sus propiedades, como corriente, campo

eléctrico o velocidad.

Las pruebas de laboratorio no consideran la enorme diferencia

que existe con las condiciones naturales de ocurrencia del rayo y

lo que esto representa en la evaluación de las características

altamente no lineales del rayo.

La posición de un plano conductor imaginario, a una altura

determinada de la estructura, antes de rodar la Esfera rodante,

cambia totalmente el campo eléctrico original alrededor del objeto,

cambiando como consecuencia, los criterios de protección.

Debido a que el objetivo final de la protección contra tormentas

eléctricas es salvaguardar la vida de las personas y las

propiedades de los inmuebles, el concepto manejado por los

dispositivos ESE es insuficiente. Por lo tanto, la propuesta NFPA

781 no debe ser aceptada.

Con respecto a la tecnología CTS, actualmente el Consejo de

Normalización del Institute of Electrical and Electronics Engineers

(IEEE) ha aprobado una propuesta para el desarrollo de la norma para

la protección contra tormentas eléctricas mediante el uso del Sistema

de Transferencia de Carga (CTS por sus siglas en inglés) para

instalaciones industriales y comerciales. Dicha propuesta tiene el

número P1576.

La Asociación de Normalización del IEEE es una autoridad

administrativa responsable de facilitar el desarrollo de las normas y de

asegurar que se desarrollen en forma abierta y transparente y que

además cumplan con el requerimiento de consenso necesario para estos

casos. La diferencia entre el IEEE como institución y la Asociación de


Normalización del IEEE es, que la primera está compuesta por

ingenieros calificados o expertos, mientras que la Asociación de

Normalización está abierta a todos los partidos, ya sean individuales u

organizaciones.

La aprobación de dicha propuesta en el IEEE ha provocado la reacción

de un gran número de expertos en la física del rayo y en la protección

contra tormentas eléctricas, que es muy fácil de entender, ya que los

conocimientos del rayo indican que es imposible detener su desarrollo

por cualquier objeto, aterrizado o no, a nivel de tierra.

El proyecto de norma tendrá una duración de cuatro años, al final de

los cuales tendrá que ser considerado a votación por el pleno de la

Asociación y personal calificado. Sin embargo, como cualquier lector

podrá confirmarlo consultando la publicidad de los fabricantes de esta

tecnología, la aprobación al desarrollo de la propuesta P1576 está

siendo utilizada con fines comerciales, lo que manifiesta una falta de

ética por parte de los fabricantes.

3.5 Aplicación del sistema convencional de protección

El Instituto de Investigaciones Eléctricas (IIE), a través de sus

investigadores capacitados dentro y fuera de México, ha desarrollado y

sigue desarrollando proyectos de investigación con el fin de implantar

esquemas de protección tanto para estructuras ordinarias como para

instalaciones de alto riesgo. Así, el IIE a través de sus proyectos de

investigación, de servicios técnicos especializados, de la información

contenida en las normas internacionales y una estrecha comunicación y

consulta con institutos como el Instituto Nacional de Seguridad contra

Rayo de Estados Unidos (NLSI por sus siglas en inglés), el Instituto de

Protección Contra Rayo (LPI por sus siglas en inglés) de Estados Unidos

y la División de Investigaciones en Electricidad y el Rayo de Suecia

(DELR por sus siglas en inglés) obtiene información y participa en la

generación, adecuación e implantación de los resultados de vanguardia


en la protección contra tormentas eléctricas, tomando como base el

sistema convencional para la ubicación de terminales aéreas.

La proliferación e instalación de dispositivos no convencionales de

protección contra tormentas eléctricas en México ha sido el resultado de

una falta de normatividad, ya que cada fabricante utiliza sus propios

criterios de diseño e instalación, generando una gran anarquía, con el

consiguiente riesgo para los usuarios.

Actualmente, el IIE, junto con más de 8 empresas en México

(fabricantes, distribuidores, privadas y de gobierno) están coordinados

bajo la Asociación Nacional de Normalización y Certificación del Sector

Eléctrico (ANCE) para la elaboración de una norma mexicana tipo NMX

para la protección contra tormentas eléctricas de estructuras

ordinarias, tomando como base la norma internacional IEC 1024-1, 1-1

y 1-2. El objetivo de la norma mexicana es emitir las recomendaciones,

basadas en el método de la Esfera rodante, para la ubicación e

instalación de los elementos del sistema externo de protección, así como

las acciones o recomendaciones para el establecimiento del sistema

interno de protección. Con esta norma, México tendrá su primera guía

de diseño y recomendaciones para la instalación de un sistema de

protección contra tormentas eléctricas, independientemente de la

tecnología utilizada.

Capítulo 4

Procedimiento de diseño de un Sistema deProtección contra Tormentas Eléctricas

basado en la Norma MexicanaNMX-J-549-ANCE-2005.

CAPITULO 4 PROCEDIMIENTO DE DISEÑO DE UN SPTE 109

4 Procedimiento de diseño de un Sistema de Proteccióncontra Tormentas Eléctricas basado en la Norma

Mexicana NMX-J-549-ANCE-2005.

Aspectos fundamentales del diseño de un sistema deprotección contra tormentas eléctricas.

Los tres aspectos fundamentales a tomar en cuenta para determinar las

características del tipo de Sistema de Protección contra Tormentas

Eléctricas en una instalación, son los siguientes:

a) Valoración de riesgo.

b) Sistema Externo de Protección contra Tormentas Eléctricas, SEPTE.

c) Sistema Interno de Protección contra Tormentas Eléctricas, SIPTE.

El análisis de estos aspectos, previo al diseño del sistema; determinara

las características finales del Sistema de Protección contra Tormentas

Eléctricas (SPTE), el cual puede estar conformado por un Sistema

Externo de Protección (SEPTE) y un Sistema Interno de Protección

(SIPTE), sin embargo, el SPTE puede estar formado exclusivamente por

el Sistema Interno de Protección (SIPTE), cuando los resultados

obtenidos en la valoración de riesgo indiquen que la instalación del

SEPTE puede omitirse, como se muestra en la Figura 36.

El Contenido de la memoria técnica del Sistema de Protección contra

Tormentas Eléctricas (SPTE) debe obtenerse siguiendo los pasos

indicados en la Figura 36.


Fig. 36. Diagrama de flujo de un Sistema de Protección contra TormentasEléctricas.

4.1 Valoración de riesgo.


La valoración de riesgo es una medida empírica, la cual estima en forma

razonable, la probabilidad de incidencia de un rayo directo sobre una

estructura tomando en cuenta la complejidad del fenómeno del rayo.

El diseño de un SPTE debe incluir la valoración de riesgo de la

estructura contra la incidencia de un rayo directo, y esta valoración

debe realizarse antes de definir las características y ubicación de los

elementos constitutivos del sistema externo (SEPTE).

Los resultados de la valoración de riesgo determinan si es necesaria la

necesidad de instalar un sistema externo de protección (SEPTE).

4.1.1 Determinación de la frecuencia anual promedio derayos directos a una estructura.

La frecuencia anual promedio de rayos directos a una estructura (N0),

puede calcularse mediante la ecuación siguiente:

N0 = Ng x Ae x 10-6 Ecuación No. 13

Donde:

N0: Frecuencia anual promedio de rayos directos a una estructura.

Ng: Densidad promedio anual de rayos a tierra por km2, según el mapa

del promedio anual de densidad de rayos a tierra por estados de la

republica mexicana. Ver Figura 37.

Ae: Área equivalente de captura de la estructura, en m2.


4.1.2 Mapa del promedio anual de densidad de rayos atierra por estados.

La Figura 37 muestra las isolineas para evaluar la densidad de rayos a

tierra (DRT) en cada estado de la república mexicana, excepto la

península de Baja California.

Las isolineas representan el promedio anual de dicho periodo. Las

unidades de la DRT son rayos/km2/año. Ver Figura 38.

El valor de cada isolínea es de 0.25 y debe tomarse el nivel superior de

la isolínea que corresponda a la ubicación de la instalación a proteger.

El valor que debe tomarse para la península de Baja California es de 2

rayos/km2/año.

Fig. 37. Mapa del promedio anual de densidad de rayos a tierra por estados.

El mapa de isolineas por estado fue elaborado con base en los

resultados de un proyecto conjunto entre el Instituto de Investigaciones

Eléctricas y la Comisión Federal de Electricidad, en el periodo

comprendido entre 1983 y 1993.


Fig. 38. Mapa del promedio anual de densidad de rayos a tierra por estados.

Nota: La Norma NMX-J-549-ANCE-2005 contiene el mapa por estado

del promedio anual de rayos a tierra, para efectos de este trabajo, se

ejemplificó solamente el Distrito Federal.

4.2 Frecuencia anual permitida de rayos directos a unaestructura. Nd.

La frecuencia anual permitida de rayos a una estructura, Nd, es el

riesgo permitido de incidencia de un rayo directo a una estructura de

acuerdo al tipo de estructura, uso y contenido, definidos en la tabla 61.

Nota: Una frecuencia anual permitida de 1 rayo cada 10 años tiene un

riesgo mayor para las estructuras que una frecuencia de 1 rayo cada

20, 50 o 100 años. A mayor intervalo de años, es menor el riesgo de

rayo directo sobre la instalación, edificio o estructura.

1Frecuencia media anual permitida de rayos directos sobre estructuras comunes. NMX-J-549-ANCE-2005.

Estructuras Comunes Efectos de las tormentas eléctricasFrecuencia


(Nd)

Residencia Daño a instalación eléctrica y daños materiales a laestructura.Daño limitado a objetos expuestos en el punto deincidencia del rayo o sobre su trayectoria a tierra.

0.04

Granja Riesgo principal de incendio y potenciales de paso.Riesgo secundario derivado de la pérdida desuministro eléctrico provocado posible desperfectospor falla de controles de ventilación y de suministrode alimentos para animales.

0.02

Tanques de agua elevados:metálicos. Concreto con elementosmetálicos salientes.

Daño limitado a objetos expuestos en el punto deincidencia del rayo o sobre su trayectoria a tierra,así como posibles daños al equipo de control deflujo de agua.

0.04

Edificios de servicios tales comoaseguradoras, centros comerciales,aeropuertos, puertos marítimos,centros de espectáculos, escuelas,estacionamiento de autobuses ,estaciones de trenes, estaciones detren ligero o metropolitano.

Daño a las instalaciones eléctricas y pánico. Fallade dispositivo de control, por ejemplo alarmas.Pérdida de enlace de comunicación, falla decomputadoras y pérdida de información.

0.02

HospitalAsiloReclusorio

Falla de equipo de terapia intensiva. Daño a lasinstalaciones eléctricas y pánico. Falla dedispositivos de control, por ejemplo alarmas.Pérdida de enlace de comunicación, falla decomputadoras y pérdidas de información.

0.02

Industria tales como Máquinasherramientas, ensambladoras,textil, papelera, manufactura,almacenamiento no inflamable,fábrica de conductores, fábrica deconductores, laboratorios y plantasbioquímicas, potabilizadoras.

Efectos diversos dependientes del contenido,variando desde menor hasta in aceptable y pérdidade producción.

0.01

Museos y sitios arqueológicos Pérdida de vestigios culturales irreemplazables. 0.02

Edificios de telecomunicacionesvéase notas.

Interrupciones inaceptables, pérdidas por daños ala electrónica, altos costos de reparación y pérdidaspor falta de continuidad de servicio.

0.02

Notas:1 Para cualquier estructura común debe evaluarse el nivel de riesgo en función de su

localización, densidad, altura y área equivalente de captura, para decidir la protección.2 Para estructuras en zonas con densidad de rayos a tierra mayor a 2, y el techo de la

construcción es de material inflamable (madera o paja), debe instalarse un SEPTE.

Tabla 6. Frecuencia media anual permitida de rayos directos sobreestructuras comunes.

4.2.1 Área equivalente de captura.


Las áreas equivalentes se clasifican y se calculan de la forma siguiente:

a) Para una estructura aislada ubicada en terreno plano, con techo

plano y de dos aguas, se calcula con la ecuaciones siguientes:

Techo plano. Ver Figura 39.

Ae = ab + 6h(a + b) + 9πh2 Ecuación 14.

Techo a dos aguas. Ver Figura 40.

Ae = ab + 6hb + 9πh2 Ecuación 15

En donde:

Ae: Aérea equivalente de captura, en m2.

a: Longitud de uno de los lados de la estructura, en m.

b: Longitud del otro lado de la estructura en m.

h: Altura de la estructura en m.

Nota: - La altura h total de la estructura o edificio a proteger debe

considerar la altura de todos los equipos instalados sobre techo.


Fig. 39. Área de captura equivalente para una estructura con techo planoy terreno plano.


Fig. 40. Área de captura equivalente para una estructura con techo dedos aguas y terreno plano.


b) Para una estructura aislada ubicada en terreno irregular, se

calcula el área con la ecuación siguiente, ver Figuras 41, 42, 43 y

44.

Ae = ab + 6he(a + b) + 9πh2e Ecuación 16.

En donde:

Ae : Aérea equivalente de captura, en m2.

a: Longitud de uno de los lados de la estructura, en m.

b: Longitud del otro lado de la estructura en m.

he: Altura equivalente de la estructura en el terreno irregular, en m.


Figura 41. Área de captura equivalente para una estructura en terrenoirregular. Depresión.

Figura 42. Área de captura equivalente para una estructura en terrenoirregular. Sobre el nivel.


Figura 43. Área de captura equivalente para una estructura en terrenoirregular. Plataformas.


Figura 44. Área de captura equivalente para una estructura en terrenoirregular. Plataforma con desnivel.


c) Para una estructura con otras adyacentes, se calculan primero las

distancias correspondientes con la ecuación 17 y posteriormente el

área equivalente de captura, ver Figura 45 y 46.

2

)(3 hhdX s

S

Ecuación 17.

En donde:

Xs: Distancia equivalente en m.

hs: Altura del objeto vecino, en m.

h: Altura de la estructura bajo consideración, en m.

d: Distancia horizontal entre la estructura y el objeto vecino, en m.

Los objetos vecinos influyen de manera significativa sobre el área

equivalente cuando las distancias entre ellos y la estructura son

menores que 3(h + hs).

En este caso, si las áreas equivalentes de la estructura y de los objetos

vecinos se traslapan, el área equivalente Ae se calcula mediante el área

resultante en la intersección de las líneas perpendiculares a la línea de

trazado entre el objeto a protegerse y el objeto vecino a una distancia

equivalente, véase Figura 45 y Figura 46 para cada uno de los objetos

vecinos.


Fig.45. Área de captura equivalente para una estructura con objetos vecinos.


Fig.46. Área de captura equivalente para una estructura con objetos vecinos.


4.2.2 Evaluación de la necesidad de protección.

Una vez estimado el valor No, debe compararse con el valor de la

frecuencia anual permitida Nd (Tabla 6) para evaluar la necesidad de

protección, considerando lo siguiente:

a) Si N0 (estimado) es ≤ Nd (Tabla 6, valor permitido), el SEPTE es

opcional.

Esta condición significa que el SEPTE puede o no instalarse. Sin

embargo, debe considerarse que, aún cuando el riesgo estimado sea

menor que el riesgo permitido, existe la posibilidad de que un rayo

incida sobre la estructura que no tiene un SEPTE.

b) Si N0 (estimado) es > Nd (Tabla 6, valor permitido), debe instalarse

un SEPTE.

La selección del nivel de protección a utilizarse en el diseño para la

ubicación y altura de las terminales aéreas depende del tipo y uso de la

estructura conforme a lo indicado en la Tabla 7.

Cuando se instale o no un Sistema Externo de Protección (SEPTE), la

protección debe ser integral, por lo que en cualquier caso debe

instalarse un Sistema Interno de Protección (SIPTE),

independientemente del tipo de estructura o edificio y su contenido.


4.4 Diseño del sistema externo de protección. SEPTE.

Los elementos que conforman a un SEPTE son:

Terminales Aéreas.

Conductores de Bajada.

Sistema de Puesta a Tierra.

El número y ubicación de las terminales aéreas de un SEPTE dependen

del nivel de protección seleccionado y de la aplicación del método de la

esfera rodante.

El número y ubicación de los conductores de bajada dependen del tipo

de sistema de protección seleccionado, que puede ser aislado o no

aislado.

El número de los electrodos de puesta a tierra (ya sea individual o en

arreglo) es el que determina el cumplimiento del valor de resistencia a

tierra necesario para alcanzar el valor que garantice tensiones de paso y

contacto soportables para el cuerpo humano.

4.4.1 Método de la Esfera Rodante.

El método de la esfera rodante consiste en hacer rodar una esfera

imaginaria sobre tierra, alrededor y por encima de la instalación a

proteger o cualquier otro objeto en contacto con la tierra, capaz de

actuar como un punto de intercepción de la corriente de rayo. La esfera

imaginaria debe rodarse (desde el nivel de tierra) hacia la estructura a

proteger e instalar una terminal aérea en el primer punto de contacto

con la estructura. Ver Figura 47.


Figura 47. Aplicación del método de la esfera rodante para definir la altura yposición de las terminales aéreas de intercepción de rayo.

Por su característica volumétrica, el método de la esfera rodante puede

aplicarse sobre cualquier estructura. El radio de la esfera rodante rs se

indica en la tabla 2, indicada como referencia en el capitulo 2, punto

2.2.2.1.


Radio de la Esfera rodante rs (m) y sucorrespondiente valor de corriente de

rayo.

Método de la Esfera Rodante,Altura de la terminal aérea

sobre la superficie a proteger.

rs(m), I(kA) h

I 20(m), 3(kA) ≤ 20 m

II 30(m), 6(kA) ≤ 30 m

III 45(m), 10(kA) ≤ 45 m

IV 60(m), 16(kA) ≤ 60 m

NOTA: La corriente I(kA) es estimada mediante la ecuaciónrs = 9.4 (I¨2/3) para el radio rs (m) correspondiente.

Tabla 2. Altura de las terminales aéreas verticales de acuerdo con el nivel deprotección para el método de la esfera rodante. Niveles de protección deacuerdo al radio de la Esfera rodante; a un nivel de protección mas bajo elradio de la esfera se reduce aumentando la protección.


La tabla 1, contemplada de manera explicativa en el capitulo 1, punto

1.6.2.4, muestra la probabilidad de incidencia de rayos medidos en un

cierto tiempo (ocurrencia).

Por ciento (%) Ampers (A)1 20000010 8000050 5000090 800099 3000

Tabla 1. Probabilidad de incidencia de las corrientes de rayo.Distribución de las magnitudes de corriente de descargas atmosféricas.

Estos valores de incidencia para la corriente de rayo permiten estimar la

eficiencia de un SEPTE, indicado en la tabla 7.

Nivel de protección. Eficiencia del SEPTE

I 98 %

II 95 %

III 90 %

IV 80 %

Tabla 7. Eficiencia del SEPTE de acuerdo con el nivel de protección.

En la evaluación de la protección con el método de la esfera rodante, la

altura máxima efectiva de la terminal aérea a partir del plano a proteger

es igual al radio utilizado para la esfera rodante como se ilustra en la

Figura 48.


El espacio de protección de la terminal aérea puede apreciarse en la

Figura 49.

(a) ht = rs (b) ht > rs Figura 40.

Figura 48. Altura máxima efectiva de una terminal aérea a partir del plano aproteger.

Donde de la figura 48:

1: Espacio a proteger.

2. Plano de referencia.

rs: Radio de la esfera rodante, de acuerdo a la tabla 2.

OC: Longitud del área a proteger.

A: Punto mas alto de la terminal aérea vertical u horizontal.

ht: Altura de la terminal aérea sobre el plano de referencia.

La longitud ht - rs en la opción (b) no proporciona protección adicional.


Figura 49. Espacio de protección (volumen bajo las líneas discontinuas) deuna terminal aérea (a) vertical y (b) horizontal obtenido mediante el método dela esfera rodante.

Donde de la figura 49:

rs: Radio de la esfera rodante, de acuerdo a la tabla 2.

ht: Altura de la terminal aérea sobre el plano de referencia.

4.4.2 Terminales aéreas

Las terminales aéreas puede ser:

a) Elementos metálicos verticales.

b) Cables aéreos tendidos horizontalmente.

c) Una combinación de ambos.

Las terminales aéreas pueden utilizarse en un SEPTE aislado o no

aislado. El arreglo de las terminales aéreas debe cumplir con los

requisitos indicados en la tabla 2.


4.4.3 Número y ubicación de terminales

Existen elementos de la estructura o edificio que por estar encima de

los objetos a proteger pueden considerarse en el diseño como terminales

aéreas naturales para interceptar la corriente de rayo, a pesar de no

haber sido diseñados para tal fin.

Estos elementos naturales pueden ser hojas metálicas,

ornamentaciones, barandillas, tubos metálicos, etc.; generalmente

ubicados en techos y fachadas, y deben cumplir las condiciones

siguientes:

a) Eléctricamente continuo en todas sus partes.

b) No tener revestimientos de material aislante.

c) Estar sólidamente conectados al sistema de puesta a tierra.

La probabilidad del número de impactos sobre las terminales aéreas es

mayor con su altura, aumentando también la probabilidad de

interponerse en la trayectoria de rayos de mayos intensidad. Por lo

tanto, es recomendable que la altura de las terminales esté limitada a

3m por encima del objeto a proteger, verificando en todo momento la

cobertura de protección en el diseño.

El número y ubicación de las terminales aéreas deben calcularse de

acuerdo con su posición y nivel de protección, como se indica en el

método de la esfera rodante.

En general, para cualquier edificio o estructura, existen dos niveles de

referencia en donde debe aplicarse la esfera rodante: (a) el nivel del

techo y (b) el nivel del piso alrededor del edifico o estructura, como se

indica en la figura 47.


El cálculo del número y ubicación de las terminales aéreas deben

cumplir los puntos siguientes, de acuerdo con la altura del edificio o

estructura:

1) Cuando la altura del edificio o estructura sea menor que 20 m,

él número y ubicación de las terminales aéreas en el techo del

edificio obtenidas al rodar la esfera rodante correspondiente al

nivel de protección, es suficiente para asegurar la protección.

2) Cuando la altura del edificio o estructura sea mayor que 20 m

pero menor o igual que 60 m, deben instalarse, adicional a las

terminales aéreas en el nivel del techo (obtenidas al rodar la

esfera rodante correspondiente al nivel de protección),

conductores horizontales alrededor del edificio formado lazos

cerrados a cada 20 m de altura.

3) Cuando la altura del edificio o estructura sea mayor que 60 m,

las terminales aéreas en el nivel del techo deben calcularse

con un nivel I de protección.

Adicionalmente, deben instalarse conductores horizontales

(anillos equipotenciales) alrededor del edificio formando lazos

cerrados por lo menos a cada 45 m de altura.

4) Cuando el edificio o estructura sea de acero estructural

eléctricamente continuo, no es necesario instalar los

conductores horizontales (anillos equipotenciales)

mencionados en los incisos anteriores; en este caso, es

suficiente asegurar la conexión entre los cimientos de la

estructura y el SPT.

Nota: Para el caso de fachadas a base de elementos metálicos, éstos

pueden utilizarse como terminales aéreas naturales, por lo que no es


necesario utilizar los conductores horizontales (anillo equipotenciales)

cerrados alrededor del edificio.

5) Para torres de telecomunicaciones con alturas hasta 60 m,

debe instalarse como mínimo una terminal aérea en la parte

más alta de la misma, con una altura mínima de 2 m sobre los

objetos o equipos (generalmente antenas) más altos adheridos

a la torre y a una separación como mínimo de 0.8 m de dichos

objetos o equipos.

Cuando dichos objetos o equipos se encuentren fuera del

cuerpo de la torre (principalmente en partes intermedias de la

torre) y está tenga una altura mayor que 60 m, deben

utilizarse terminales aéreas horizontales adicionales, como se

muestra en la Figura 50.

En el caso de que la densidad de descarga de rayos a tierra sea

mayor que 2 rayos/km2/año, debe revisarse los elementos de

protección con base en el método de la esfera rodante.

La distancia mínima de separación entre la terminal aérea

horizontal y los objetos o equipos a proteger debe ser de 0.8 m.

Véase figura 50.

6) El criterio de ubicación de terminales aéreas horizontales

aéreas horizontales indicadas en el inciso (5) debe aplicarse

para la protección de equipo instalado sobre la parte exterior

de paredes y muros de edificios (por ejemplo, video cámaras)

cuando dicho equipo quede fuera del volumen de protección al

rodar la esfera rodante desde el suelo hasta el edificio o

estructura.


Figura 50. Arreglo típico de ubicación de terminales aéreas verticales yhorizontales para torres.

4.4.4 Conductores de bajada.

Se permite que el conductor de bajada se forme por alguno de los

elementos siguientes:

a) Una solera.

b) Una barra redonda.

c) Un cable

d) Un componente natural (acero estructural o de refuerzo).


4.4.4.1 Requisitos.

En el diseño del SEPTE, los conductores de bajada deben cumplir con

lo siguiente:

1) Distribuirse uniformemente a lo largo del perímetro de la

estructura o edificio mediante una configuración lo más

simétrica posible.

2) Conectarse a los elementos del sistema de puesta a tierra

SPT a través de la trayectoria más corta.

3) Conectarse a las terminales aéreas y al SPT de manera

firme y permanente.

4) Ubicarse lo más alejado posible de circuitos eléctricos,

electrónicos, de equipo con riesgo de fuego o explosión,

accesos para el personal y de puerta y ventanas.

4.4.4.2 Conductores de bajada naturales.

Las partes de una estructura que pueden considerarse como

conductores de bajada naturales son las siguientes:

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

estructura.

b) El acero de refuerzo de la estructura siempre y cuando

cuente con uniones mecánicas o soldadas, excepto para

elementos prefabricados que no garanticen la continuidad

eléctrica entre sus partes.

La Figura 51 ilustra un ejemplo de conductores de bajada naturales en

una estructura de concreto con acero de refuerzo para uso industrial.

Al igual que para los conductores de bajada, el conductor de bajada

debe conectarse con las terminales aéreas y con el sistema de puesta a

tierra.


Descripción:

1: Conductor del SEPTE en pasamuro.

2: Columna de concreto con acero de refuerzo.

3: Muro de concreto con acero de refuerzo.

4: Cimentación con acero de refuerzo.

Figura 51. Conductores de bajada naturales utilizando el acero de refuerzo delas columnas de concreto en una estructura o edificio.

4.4.4.3 Trayectoria de los conductores de bajada y radiosde curvatura.

Las rutas ubicadas en zona de tránsito de personas deben evitarse

como se indica en la Figura 52 y Figura 53 y debe cumplirse la

distancia mínima de seguridad, como se indica en la Figura 54, para el

caso en que la ruta indicada en la Figura 52 no pueda realizarse.


Figura 52. Ruta recomendada para conductores de bajada en edificios congeometrías complejas como la indicada con tránsito de personas.

Donde:

s: Distancia de seguridad.

l: Longitud del conductor de bajada.

Figura 53. Distancia de seguridad para el caso de un conductor de bajada enedificios con geometrías complejas.

La posición y distancia entre los conductores de bajada en las

estructuras o edificios deben cumplir con la distancia mínima de

seguridad indicada en el cálculo de la distancia de seguridad del punto

4.4.5.


El radio de curvatura del conductor de bajada en trayectorias verticales

y horizontales debe ser mayor o igual a 200 mm. La figura 54 ilustra el

tratamiento de los radios de curvatura del conductor de bajada.

La figura 55 ilustra la trayectoria que debe seguir el conductor de

bajada en marquesinas y pretiles. La separación d2 debe cumplir la

distancia de seguridad conforme a lo indicado en el cálculo de la

distancia de seguridad del punto 4.4.5.

Donde:

r: Radio mínimo de curvatura.

Figura 54. Arreglo de un conductor de bajada cumpliendo con el radio decurvatura para un mástil soporte para terminal aérea.


Figura 55. Trayectorias para los conductores de bajada del SEPTE enmarquesinas y pretiles.

4.4.4.4 Terminales aéreas y conductores de bajada paraun Sistema Externo de Protección Aislado.

Las terminales aéreas y conductores de bajada deben mantener la

distancia de seguridad s a las partes metálicas de la instalación y deben

cumplirse los siguientes puntos, según sea el caso:

a) Si las terminales aéreas son independientes y separadas de

las estructura, debe utilizarse cuando menos un conductor

de bajada por cada terminal aérea.

b) Si las terminales aéreas son independientes y montadas en

forma aislada de la estructura, debe utilizarse cuando

menos un conductor de bajada por cada terminal aérea.

c) Si las terminales aéreas forman una red de conductores

horizontales y están montadas en mástiles separados de la

estructura, debe instalarse por lo menos un conductor de

bajada por cada mástil soporte.

d) Si las terminales aéreas forman una red de conductores

horizontales y están montadas en forma aislada sobre la

estructura, debe instalarse por lo menos un conductor de

bajada por cada mástil soporte.

e) A nivel de suelo, los conductores de bajada deben

interconectarse al SPT. Para el caso de un solo conductor de


bajada, el SPT debe estar formado por al menos un arreglo

de 3 electrodos y conforme a lo indicado en el diseño del

sistema de puesta a tierra.

4.4.4.5 Terminales aéreas y conductores de bajada paraun Sistema Externo de Protección NO Aislado.

Las terminales aéreas y los conductores de bajada deben estar

conectados a nivel de techo. A nivel de suelo, los conductores de bajada

deben interconectarse al SPT. Cuando las condiciones físicas del edificio

o estructura no permitan esta conexión a nivel de suelo debe utilizarse

el acero de refuerzo o estructural de la cimentación para lograr esta

conexión. Además deben cumplirse los siguientes puntos, según sea el

caso:

a) Si el SEPTE está formado por una sola terminal aérea,

deben utilizarse dos o más conductores de bajada.

b) Si el SEPTE está formado por terminales aéreas

horizontales, deben utilizarse dos o más conductores de

bajada.

c) Los conductores de bajada deben estar distribuidos de

acuerdo con la tabla 8. Los conductores de bajada deben

estar ubicados cerca de cada una de las esquinas de la

estructura.

d) Si la pared de la estructura está hecha de material

inflamable, los conductores de bajada deben ubicarse a una

distancia mayor a 0.1 m del elemento a proteger.

e) Los conductores de bajada deben conectarse con los

conductores horizontales alrededor de la estructura.


Donde:

1: Terminal aérea vertical.

2: Terminal aérea horizontal

3: Conductor de bajada.

4: Sistema de puesta a tierra SPT.

5: Conexión de terminales aéreas y conductores de bajada a

nivel de techo.

Nota: - Se indica una sola terminal aérea vertical por motivos de

claridad en el dibujo.

Figura 56. Arreglo físico representativo de la conexión entre terminalesaéreas, conductores de bajada y un arreglo cerrado del sistema de puesta atierra en un edificio con diferentes alturas en el techo y para un sistema noaislado de protección.


La distancia de separación d0 entre conductores de bajada contigua

debe cumplir con los requisitos indicados en la tabla 8.

Nivel de protección Distancia promedio mI 10II 15III 20IV 25

Tabla 8- distancia promedio de separación entre los conductores de bajadacontiguo de acuerdo al nivel de protección

4.4.5 Distancia de Seguridad.

La distancia de seguridad s debe calcularse de acuerdo a la Ecuación

18.

Ik

kks

m

ei

Ecuación 18.

d ≥ s

En donde:

s: Distancia de seguridad, en m.

d: Distancia entre los elementos a evaluar, en m.

ki: Depende del nivel de protección seleccionado del SEPTE, véase

tabla 9.

kc: Depende de la configuración dimensional, véanse figuras 57,

58 y 59.

km: Depende del material de separación (aire o sólido), véase

tabla 11.

l: Longitud del conductor de bajada desde el punto de ubicación

del elemento a evaluar a tierra, en m.


Nivel de protección Coeficiente kiI 0.1II 0.075

III y IV 0.05

Tabla 9. Valores de ki para el efecto de proximidad de las instalaciones y elSEPTE.

Material de separación Coeficiente kmAire 1.0

Sólido 0.5

Tabla 10. Valores de km para el efecto de proximidad de las instalaciones y elSEPTE.

kc=1

Donde:

s: Distancia de seguridad, en m.

l: Longitud del conductor de bajada desde el punto de ubicación del

elemento a evaluar a tierra, en m.

Figura 57. Valor del coeficiente kc para un o dos conductores de bajada


.kc = 0.66

Donde:

s.: Distancia de seguridad, en m.

i: Longitud del conductor de bajada desde el punto de ubicación del

elemento a evaluar a tierra, en m.

Figura 58. - Valor del coeficiente kc para tres o cuatro conductores de bajada

Descripción:

s: Distancia de seguridad en m.

l: Longitud del conductor de bajada desde el punto de ubicación del

elemento a evaluar a tierra en m.

Figura 59. Valor del coeficiente kc para mas de cuatro conductores de bajada.


4.5 Diseño del sistema interno de protección SIPTE

4.5.1 Unión equipotencial (UE)

La Unión Equipotencial UE es un procedimiento de control y seguridad,

mediante el cual se logra la igualación de los potenciales de todos o

parte de los elementos metálicos de una instalación. Esta igualación de

los potenciales se efectúa mediante la conexión física a un punto

común.

La función de la unión equipotencial es reducir las diferencias de

potencial generadas por rayo cuando éste incide en los elementos de

intercepción de un SEPTE, sobre o en las cercanías de la instalación o

estructura.

La diferencia de potencial puede producir la circulación de corrientes

indeseables y la generación de arcos eléctricos con el riesgo de fuego y

explosión en áreas peligrosas o bien algún daño físico tanto a los seres

vivos como al equipo.

Una vez lograda la unión equipotencial a un punto común, debe

realizarse una conexión entre dicho punto y la red del SPT de la

instalación.

4.5.1.1 Elementos para lograr la UE

Los elementos que deben utilizarse para lograr la EU son los siguientes:

a) Conductores de unión. Los conductores se utilizan para

interconectar dos partes metálicas. La longitud de estos

conductores de unión debe ser lo más corta posible y la

sección transversal debe cumplir con el valor mínimo

arrojado en la memoria de calculo del SPT.


b) Barras de unión. Las barras se utilizan para interconectar,

mediante los conductores de unión, elementos metálicos de

diversos sistemas (energía eléctrica, telecomunicaciones,

gas, agua, etc.), así como los elementos estructurales

metálicos de la instalación a un solo punto de unión.

c) Supresores de sobretensiones transitorias (SSTT). Estos

supresores se utilizan en los dos casos siguientes:

1) Para la protección de equipo eléctrico o electrónico

sensible.

2) Donde no se permite el uso de conductores de unión,

como por ejemplo en la unión de dos piezas metálicas

aisladas entre sí en tuberías de gas, y por restricciones del

sistema de protección catódica.

4.5.1.2 UE a nivel externo para un SEPTE aislado

a) Mástiles montados sobre la instalación a proteger.

La UE entre los elementos del SEPTE aislado y la instalación a

proteger debe realizarse únicamente a nivel del suelo, véase figura

60. En esta figura se indica el detalle genérico de conexión.

b) Mástiles montados sobre la instalación a proteger.

La UE entre los elementos del SEPTE aislado y la instalación a

proteger debe realizarse únicamente a nivel del suelo, véase figura

61. La distancia d0 indicada en la tabla 8 debe cumplirse y la

distancia de seguridad “s” entre los elementos metálicos del

SEPTE, y la estructura a proteger debe estar de acuerdo con el

calculo de la distancia de seguridad.


Nota: La posición, altura y conexión de las terminales aéreas es

representativa de la figura, no indica parámetros de diseño.

Figura 60. Ejemplo de un SEPTE aislado y separado de la estructura aproteger, en donde la unión equipotencial debe realizarse a nivel de tierra conla estructura a proteger.


Nota: Para el SEPTE aislado las terminales aéreas y los conductores de

bajada deben respetar la distancia de seguridad “s” indicada en

4.3.3.4 de los elementos del SEPTE a la estructura.

Figura 61.- Arreglo típico de la conexión para lograr la unión equipotencial.

4.5.1.3 UE a nivel externo: para un SEPTE no aislado.

Con un SEPTE no aislado como medio de protección, debe cumplirse

los puntos de UE mínimos siguientes:

1) Instalar 2 placas de unión como mínimo, adheridas al acero

de refuerzo o perfil metálico de la cimentación, distribuidas

uniformemente, tanto en azoteas com en la planta baja o

sótano de la instalación, como preparación para la UE,

actual o futura. Ver Figura 63, 64 y 65.

2) A nivel del techo, cuando la estructura a proteger esté

parcial o totalmente cubierta por elementos metálicos, debe

tenerse especial cuidado de lograr la UE entre los elementos

del SEPTE y los elementos metálicos, con una conexión

firme y continua al SPT a partir del punto de la UE.


Tratándose de un SEPTE no aislado, los elementos del SPTE

en nivel del techo deben interconectarse al acero de refuerzo

de la instalación. Ver Figura 62.

3) A nivel del suelo, los elementos metálicos estructurales de

la instalación deben conectarse al SPT, directamente o a

través de placas o barras de unión. Ver Figura 62.

Descripción:

1: Terminal aérea.2: Terminal aérea horizontal.3: Conductor de bajada.4: Conductor de anillo equipotencial.5: SPT. Sistema de Puesta a Tierra.6: Conexión de terminales aéreas y conductores de bajada a nivel de

techo.


Figura 62. Diagrama entre los elementos del SEPTE con el SPT, para lograr laUE en edificios o estructura de 60 m o menor, construida de concreto armadoo perfiles metálicos

Figura 63.- Detalle típico de conexión al acero de refuerzo.


Figura 64.- Detalle típico de conexión al acero de refuerzo (viga de acero).

Figura 65.- Detalle típico de conexión al acero de refuerzo (ángulo).

Cuando las partes metálicas de la estructura (vigas y trabes de acero) se

utilicen como conductores de bajada naturales, éstas pueden ser

consideradas como un medio para lograr la UE, verificando que los

puntos de unión entre trabes y columnas mantengan continuidad

eléctrica y estén firme y permanentemente unidas al SPT.

Si la instalación está formada de dos o más niveles, debe realizarse la

UE en cada uno de los niveles para los equipos y elementos metálicos

existentes, así como para los diferentes servicios que entran y salen.

Todas estas interconexiones para lograr la UE deben tener una

conexión firme y lo más corta posible al SPT.

Las partes metálicas que se encuentren fuera del volumen a proteger,

que no cumplan con la distancia mínima de seguridad o que

representen peligro de electrocución para el personal, deben conectarse

a los elementos del SEPTE utilizando la trayectoria más corta posible.


En los lugares en donde estas partes o elementos metálicos tengan una

trayectoria paralela a los conductores de bajada o columna de la

estructura, deben interconectarse en cada extremo y a un intervalo

promedio de 10 m a lo largo de su trayectoria.

Notas:

1. La posición y la altura de la terminal aérea son representativas del

dibujo; no indica parámetros de diseño.

2. El equipo o los elementos metálicos pueden ser, entre otros, aire

acondicionado, tanque de gas, jaulas metálicas de servicio,

antenas de televisión, satelital y por cable, barandales, acero de

refuerzo, etc.

Figura 66.- Ejemplo ilustrativo de la UE en la parte externa a nivel del techopara un SEPTE no aislado.


Las instalaciones formadas por partes estructurales (de concreto con

acero de refuerzo) de una sola pieza (prefabricadas) y ensambladas en

sitio de tal manera que no exista una continuidad eléctrica entre sus

partes metálicas, no deben utilizarse como conductores de bajada

naturales o como un medio para lograr la unión equipotencial.

Si la instalación está hecha de material aislante (madera, tabla-roca) y

se tiene instalado un SEPTE, debe comprobarse que se cumpla la

distancia indicada en el cálculo de la distancia de seguridad entre los

conductores de bajada y el material de la instalación, desde el punto

requerido hasta el punto de UE a nivel del suelo.

La UE entre elementos metálicos (sea del SEPTE o no) con el sistema de

protección catódica debe realizarse con especial cuidado, bajo la

supervisión del responsable del sistema de protección catódica, con el

fin de no afectar la operación de dicho sistema.

Es importante realizar la UE entre las partes metálicas de los servicios

que entran o salen de la estructura y el SPT. La omisión equipotencial

puede someter a los elementos metálicos del servicio a posibles arcos

eléctricos a través del suelo, aumentando el riesgo de daño y

perforaciones.

4.5.1.4 UE a Nivel Interno

La figura 67 ilustra un arreglo conceptual de la UE a nivel interno. El

concepto de UE es radial, en donde las barras de unión deben

interconectarse entre sí, sin formar lazos cerrados y conectados

firmemente a la barra de unión maestra o principal, y está conectada al

SPT.


Figura 67.- Arreglo conceptual de la UE a nivel interno.

La figura 68 ilustra un arreglo típico para la UE a nivel interno de una

instalación construida de concreto armado o acero estructural, en

donde los servicios entran en un solo punto, utilizando más de una

barra de unión para lograr la UE de las diferentes partes internas. Los

requisitos siguientes deben cumplirse, los cuales están en la figura 68.

a) Las dos barras o placas de unión indican que se puede

tener más de una barra de unión para lograr la UE a nivel

interno, paro siempre interconectadas entre sí y al SPT.

Este esquema se aplica particularmente para instalaciones

de pequeñas dimensiones. Cuando la instalación es grande

o larga, pueden instalarse dos o más arreglos como el

indicado en la figura 67 en forma independiente, sin

ninguna interconexión entre barras principales.


b) Las conexiones de los diferentes servicios o elementos

metálicos en cada barra de unión deben realizarse en forma

radial (un solo punto), sin formar lazos cerrados entre

servicios que pueden generar corrientes indeseables, como

se indica en el arreglo conceptual de la figura 67.

c) La conexión de los elementos metálicos en pisos

intermedios (punto 9 de la figura 68) puede ser

directamente al acero de refuerzo o estructura metálica de

la instalación o a través de una o varias barras de unión

instaladas en cada piso.

d) Una barra de unión debe estar siempre localizada cerca de

tablero principal de alimentación eléctrica, deben también

conectarse los elementos metálicos de los servicios que

entrar o salen.


Descripción

1: Cable de acometida.

2: Cable de puesta a tierra.

3: Barras de unión, en donde la barra del lado derecho cumple la

función de barra principal.

4: Tubería metálica de agua.

5: Tubería metálica de gas.

6: Interconexión del medidor de gas.

7: Electrodo de puesta a tierra “natural” formado por los cimientos

8: Conexión de los cimientos a la barra principal.

9: Acero de refuerzo entre pisos.

10: Tubería metálica dentro del edificio.

11: Acero de refuerzo de columnas.

12: Sistema de puesta a tierra SPT – Conexión entre el SPT del SEPTE y el

electrodo de puesta a tierra de la instalación eléctrica.


13: Medidor de energía eléctrica.

14: SSTT. Supresores de sobretensiones transitorias.

15: Electrodo de puesta a tierra de la instalación eléctrica.

16: Sistema de puesta a tierra de la instalación eléctrica.

s: Distancia de seguridad.

Nota – La puesta a tierra de la acometida de energía debe realizarse al sistema

de puesta a tierra de la instalación eléctrica y este sistema debe estar unido al

SPT del SPTE.

Figura 68.- Ejemplo de UE a nivel interno en una estructura.

4.5.1.5 UE y Blindaje Electromagnético.

Cuando un rayo incide sobre la estructura o edificio, sobre los

elementos de intercepción del SEPTE o en las cercanías del edificio

(hasta unos 10 Km), se generan corrientes indeseables a lo largo de las

partes metálicas, ya sean conducidas o inducidas.

La circulación de estas corrientes no deseas produce diferencias de

potencial entre diversos puntos de la instalación y campos magnéticos

que pueden afectar los equipos electrónicos sensibles ubicados en la

instalación, y generar corrientes circulantes y potenciales en los

circuitos de baja tensión.

Estas corrientes no deseadas y sus afectos adversos no pueden evitarse,

pero sí reducirse mediante las siguientes medidas:

a) Aumentar la distancia de separación entre los elementos

metálicos susceptibles de llevar corriente de rayo y el equipo a

protegerse.

b) Disminuir el campo eléctrico alrededor y al exterior del conductor

que lleva la corriente de rayo.


c) Definir trayectorias de alambrado de tal manera que se reduzcan

los acoplamientos magnéticos (véase figura 69), así como

considerar el blindaje de los mismo (véase figura 70).

El inciso a) está relacionado con la posición de los conductores que

llevan corriente de rayo (conductores de bajada o acero estructural de la

instalación), así como de la ubicación de los equipos a proteger en la

instalación, para lograr que el campo magnético que pueda acoplarse a

los equipos sea menor.

El inciso b) está relacionado con todas aquellas medidas aplicadas para

reducir la magnitud de los campos eléctricos y magnéticos que puedan

acoplarse con el equipo a proteger, ya sea por distancia o por medios de

confinamiento.

El inciso c) está relacionado con la definición de las trayectorias del

cableado para reducir el área de acoplamiento y medidas de blindaje,

reduciendo las tensiones inducidas generadoras de corrientes

indeseables.

Finalmente, en el inciso d), se indica que la UE proporciona una medida

de reducción de diferencias de potenciales dañinas, reduciendo la

posibilidad de generar corrientes circulantes indeseables.

Deben aplicarse las medidas de reducción de potenciales dañinos y

corrientes circulantes indicadas anteriormente, independiente de que se

tenga instalado o no un SEPTE en la instalación a proteger.

La canalización metálica indicada en la figura 70 debe unirse entre

secciones para el cableado principal de la estructura y para suministrar

una trayectoria de baja impedancia para la corriente de rayo que pueda

circular por ella.


La canalización metálica proporciona un buen blindaje para el cableado

contra los efectos de acoplamiento magnético. Ninguna parte del

cableado (eléctrico o de señalización) debe estar fuera de la canalización

metálica, y los supresores de sobretensión transitoria deben instalarse

en el punto de entrada de la canalización metálica, generalmente

definido por el tablero secundario de alimentación eléctrica,

generalmente definido por el tablero secundario de alimentación

eléctrica.

La figura 71 ilustra un diseño híbrido de UE para lograr una reducción

de los efectos conducidos y de inducción por rayo, generalmente

aplicado en un edificio o estructura con equipo sensible.

Figura 69.- Métodos para reducir las tensiones por blindaje y por cableadodentro de la estructura, a partir de un sistema sin protección.


Descripción:

A: Sistema sin protección.

B: Reducción de efectos adversos mediante medidas de blindaje externo

(SEPTE, UE).

C: Reducción de área de acoplamiento en el cableado.

D: Reducción de inducción por blindaje individual en el cableado.

E: Máxima reducción de inducción por medio de blindaje externo,

reducción de área de acoplamiento y es el blindaje individual en el

cableado.

1: Gabinete metálico del equipo 1.

2: Gabinete metálico del equipo 2.

3: Línea de alimentación eléctrica.

4: Línea de datos.

5: Lazo o área de acoplamiento.

6: Línea de datos con blindaje metálico.

7: Blindaje metálico.

8: Línea de alineamiento eléctrica con blindaje metálico.

9: SEPTE.


Figura 70.- Combinación de blindaje y ruta de cableado para reducir losefectos de las tensiones inducidas. Esta medida aplica para instalaciones cono sin el SEPTE.

Descripción:

A: Equipo a proteger.

B: Equipo a proteger

C: Equipo a proteger.

D: Equipo a proteger

*: Localización de los SSTT en el tablero derivado de los circuitos de

alimentación.

1: Canalización metálica de alojamiento para el cableado.

2: Localización de los SSTT en el tablero principal de la alimentación

general de la instalación.

3: Sistema de puesta a tierra SPT.

4: Línea de energía eléctrica (3F, N, T).5: Cable de señalización.


Nota.- Los elementos metálicos de o en la estructura deben unirse

equipotencialmente a la canalización metálica.

Fig. 71. Ejemplo ilustrativo del diseño de unión equipotencial en unaestructura con equipo electrónico sensible.

Descripción:

1: Canalización metálica de baja impedancia (un ejemplo del sistema de

tierra común a la estructura).

2: Interconexión entre un solo punto de conexión y la canalización

metálica.

3: Zona de protección 2.

4: Zona de protección 3, gabinete del sistema bloque 1.

5: Piso de concreto con acero de refuerzo.

6: Malla de referencia 1.

7: Aislamiento entre la malla de referencia 1 y el sistema común de

tierra de la estructura para rayos de más de 10 kV, 1.2/50 μs.


8: Acero de refuerzo del piso.

9: Unión equipotencial de la canalización metálica y el acero de

refuerzo.

10: Interconexión 1 en un solo punto.

11: Zona de protección 1.

12: Pantalla metálica del cable conectada al gabinete.


14: Sistema bloque 3.


16: Equipo e instalación existente que no aplica a la conexión híbrida.

17: Sistema de bloque 2.

4.5.2 Puesta a Tierra para el Interior del Edificio oEstructura.

La puesta a tierra de los equipos eléctricos, estructuras metálicas,

tuberías, elevadores, etc., que se encuentran en el interior del edificio o

estructura, representa, entre otras cosas, un medio de seguridad, cuyo

objetivo principal es garantizar la operación confiable y la integridad

física de los equipos ante condiciones anormales, así como la integridad

física de las personas.

La puesta a tierra debe satisfacer lo indicado en la norma mexicana

NMX-J-549-ANCE-2005, así como lo indicado en la NOM-001-SEDE-

2012 para instalaciones eléctricas. Asimismo, dichas instalaciones

eléctricas, deben contener como mínimo los elementos siguientes,

según sea el caso:

a) Barra de puesta a tierra, la cual debe estar cercana del interruptor

o tablero principal de acometida y en pisos superiores cercana a la

zona de tableros de distribución eléctricos derivados.

La barra de puesta a tierra puede instalarse empotrada a nivel de

pisos o pared o sobrepuesta, debe conectarse firmemente al SPT de


la instalación o estructura y ubicarse en un lugar accesible y de

fácil identificación, por ejemplo, por debajo y cerca del interruptor

principal o del tablero de distribución principal; para el caso de

subestaciones, colocarla en la pared o en el registro.

b) Una conexión del conductor puesto a tierra (neutro) de la

acometida o de la subestación propia, a la barra de puesta a tierra.

El neutro de la acometida de baja tensión, en el interior del edificio

o estructura, debe conectarse en forma permanente a la barra de

puesta a tierra. Debe utilizarse una tablilla de terminales para

efectuar la unión entre el conductor de puesta a tierra y el

conductor puesto a tierra (neutro).

c) Un conductor desnudo de puesta a tierra (de seguridad), y en su

caso, un conductor de puesta a tierra con aislamiento (en color

verde con franjas amarillas) en los circuitos derivados.

Es indispensable que en todos y cada uno de los circuitos

derivados para alimentar receptáculos, debe existir un conductor

desnudo de puesta a tierra (de seguridad) y, en su caso, un

conductor de puesta a tierra con aislamiento (en color verde o

verde con franjas amarillas) para equipo electrónico.

d) Tableros derivados con barras de neutro y tierra.

Cada tablero de distribución principal o derivado debe contar sin

excepción con sus barras de neutro y de puesta a tierra, para

conectar las terminales de neutro que existan en el tablero y

alambrar los circuitos de puesta a tierra que se requieran.

e) Barra de puesta a tierra (remate) para armarios o gabinetes de

electrónica.


La barra de puesta a tierra (remate) debe ubicarse cerca de los

armarios o gabinetes de equipo electrónico. La barra debe

montarse sobre un elemento aislante y sobrepuesto en piso o

pared.

A nivel de planta baja, la conexión a tierra de esta barra debe ser

directa desde el SPT; a nivel de pisos superiores, esta conexión

debe realizarse al acero de refuerzo del edificio y/o cable de puesta

a tierra. Por razones de unión equipotencial, la barra de puesta a

tierra (remate) debe interconectarse al acero de refuerzo del edificio

en el piso de ubicación.

f) Un conductor para derivar desde la barra de puesta a tierra

(remate) para armarios o gabinetes de equipo de

telecomunicaciones.

El conductor para la puesta a tierra de protección de armarios o

gabinetes, debe ser de cobre con aislamiento de color verde o verde

con franjas amarillas. Se debe instalar expuesto en pared o sobre

soportes plásticos que se fijan en las charolas. Para cada armario,

y desde la barra de puesta a tierra de remate, debe instalarse un

solo conductor con aislamiento. En cada armario o gabinete se

recomienda instalar una barra de puesta a tierra a todo lo ancho

del mismo, donde se remata el conductor de puesta a tierra de

protección.

g) Una red de puesta a tierra de referencia para piso falso de salas de

cómputo o sitios de telecomunicaciones.

La tierra de referencia de baja impedancia para establecer un plano

equipotencial para alta frecuencia, debe construirse bajo el piso


falso con elementos de baja inductancia (cintillas de cobre

electrolítico o cable plano).

Debe tenerse cuidado especial en las conexiones entre los

pedestales del piso falso y los conductores de unión. Asimismo,

debe instalarse un punto de remate de la tierra de referencia de

piso falso (anillo) y este interconectado a la barra de puesta a tierra

de remate.

Por ningún motivo deben instalarse redes de puesta a tierra

“separadas” del SPT, particularmente para equipo ubicado en

niveles superiores.

h) Puesta a tierra de supresores para transitorios.

La instalación de supresores para la protección de equipo eléctrico

y electrónico sensible es indispensable, para garantizar la

operación confiable del equipo ante condiciones de sobretensiones.

La puesta a tierra para estos protectores debe efectuarse en la

barra de puesta a tierra de cada tablero o interruptor, respetando

el tamaño del conductor indicado por el fabricante y de acuerdo

con la clasificación indicada para los supresores de sobretensiones

transitorias.

Para el caso de supresores para estructuras o armarios de equipo

electrónico, la puesta a tierra de estos protectores debe realizarse

en la barra de puesta del armario.

4.5.3 Supresor de Sobretensiones Transitorias (SSTT).

4.5.3.1 Puntos de Entrada de los Transitorios.


La figura 73 ilustra un caso típico de entrada y salida de servicios

aéreos o subterráneos (energía, voz y datos, instrumentación y control,

tuberías metálicas, entre otros). Estos servicios proporcionan un

camino para la entrada de sobretensiones transitorias.

Esta condición obliga al uso de dispositivos de protección contra

sobretensiones transitorias con el fin de proteger los equipos

electrónicos sensibles instalados en el interior del edificio.

Figura 73. Caminos para la entrada de sobretensiones transitorias.

Los tipos de sobretensiones transitorias pueden ser:

a) De línea a neutro.

b) Línea a tierra.

c) Línea / neutro a tierra.

d) Línea a línea (modo diferencial).

A continuación se muestran los diagramas de modo diferencial y modo

común, véase figura 74 y figura 75.


Figura 74. Transitorio de modo diferencial.

Figura 75. Transitorio de modo común.

Los tipos de protección comúnmente usados son supresores primarios y

secundarios utilizados para la protección de equipos que utilizan

alimentadores con corriente alterna, corriente directa, línea conmutada,

línea de datos, instrumentación y control, entre otros.


Fig. 76 .- Diagrama ilustrativo de una protección multietapa para circuitos debaja tensión y señal telefónica.

Descripción:

MOV: Varistores de óxido metálico.

SAD: Son diodos de silicio tipo avalancha

Z: Es impedancia.

Nota. Esta combinación puede manejar inclusive sistemas de tierra

separados.


4.5.3.2 Descripción de categorías de ubicación de losSSTT

Desde el punto de vista de protección con SSTT, la instalación eléctrica

se divide en 3 categorías desde la acometida del edificio o estructura

hasta el punto de utilización de los equipos. Véase figura 77.

Para la selección genérica de los supresores debe observarse la zona, la

categoría, la magnitud (tensión y corriente) y la forma de onda, como se

indica en la figura 77.

Los valores indicados en la figura 77 son los mismos requeridos para la

protección con supresores. La selección específica de los supresores

debe tomar en cuenta las condiciones reales de exposición de la

instalación a eventos de sobretensiones transitorias, las cuales pueden

evaluarse mediante mediciones en sitio de la instalación, si esto fuera

necesario.

También véase tabla 11 Y 12.


Figura 77. Categorías para la selección de supresores.


Tecnologías.

Características

Descripción Tensiones deruptura ointervalo detensión.

Corriente dedescarga.

Tiempo dedisparo.

Dispositivosde descarga

en gas.

Tubos de vidrio o cerámicallenos con una gas inerte y

sellados con uno o maselectrodos metálicos.

Tensión derupturadesde 70 Vhasta 15 kV.

Hasta 60 kA. Desde 10 µshasta 500 µs.

Varistores(MOV's)

Resistencias no linealescuyo valor esta en función

de la tensión. Seconstruyen medianteelementos de óxidos

metálicos, mejor conocidoscomo MOV's.

Tensión deoperacióndesde 10 Vhasta 1 kV.

Del orden devarioskiloampers

Desde 35 nshasta 50 ns.

Dispositivosde estado

sólido (SAD's)

Diodos zener especialesllamados diodos deavalancha o SAD's.

Tensión deoperacióndesde 5 Vhasta 600 V.

Del orden devarios cientosde amperes.

Del orden de 5ns.

Tabla 11. Tecnologías utilizadas en los supresores de transitorios.


Tipo deestructura

Tipo deprotección

Sistema dedistribución

Ubicación/categoría

Onda deprueba

Tipo deservicio yclase deprotección

Autoprotecciónpor variacionesde tensión

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

Acometida,categoría C

20 kV,1.2/50μs 20kA, 8/20μs

InteriorIP 1

Recomendado

InteriorIP 4X

Recomendado

1F, 2H + T,127 V

Acometida,categoría B

6 kV, 500 A100 kHz 6 kV1.2/50 μs 3kA 8/20 μs

InteriorIP 1

Recomendado

Secundaria

1F, 2H + T,127 V

Punto de usocategoría A

6 kV, 200 A100 kHz

InteriorIP 1

-----

EdificiosComerciales

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


20 kV,1.2/50μs 20kA, 8/20μs

InteriorIP 1

Recomendado

InteriorIP 4X

Recomendado

Secundaria

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

Acometida,categoría B

6 kV, 500 A100 kHz 6 kV1.2/50 μs 3kA 8/20 μs

InteriorIP 1

Recomendado


6 kV, 200 A100 kHz

InteriorIP 1

Recomendado

1F, 2H + T,127 V


6 kV, 200 A100 kHz

InteriorIP 1

Industrial Primaria 3F, 4H + T,480 V/277V


20 kV,1.2/50μs 20kA, 8/20μs

IP 12, IP3R y IP4X

Recomendado

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

Circuitoderivado,categoría C

20 kV,1.2/50μs 20kA, 8/20μs

IP 12, IP3R y IP4X

Recomendado

Secundaria

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

Circuitoderivado,categoría B

6 kV, 500 A100 kHz 6 kV1.2/50 μs 3kA 8/20 μs

IP 12, IP3R y IP4X

Recomendado

1F, 2H + T,127 V

Circuitoderivado,categoría B

6 kV, 500 A100 kHz 6 kV1.2/50 μs 3kA 8/20 μs

IP 12, IP3R y IP4X

------


6 kV, 200 A100 kHz

InteriorIP 1

------

NOTA – Para los casos de sistema 120/24 V aplican las recomendaciones del sistema 220/127 Vindicadas en la tabla. También aplica a sistemas bifásicos.

TABLA 12.- Recomendaciones para selección de los supresores paracorriente alterna.

Conclusiones

175

Conclusiones.

Durante muchos años, los criterios de protección mediante el uso de

terminales aéreas de protección utilizadas en el sistema convencional

han sido mejorados a través de estudios de campo y laboratorio para

determinar la cobertura efectiva de protección, modificando los ángulos

en el caso del método del cono de protección y relacionando los

parámetros del rayo para la determinación de los radios de cobertura

para el caso del método de la Esfera rodante. La aplicación de estos

criterios ha reducido sustancialmente los riesgos de daño tanto en

instalaciones industriales, comerciales y residenciales, como en el

sector eléctrico, cuyas características de trazo y ubicación de las líneas

de transmisión y distribución de energía los hace vulnerables a la

incidencia de rayos.

En los últimos cincuenta años, la aplicación de nuevas tecnologías ha

permitido nuevamente revivir el tema de protección contra rayo,

proporcionando un nuevo auge y replanteando, con base en los nuevos

descubrimientos sobre la física del rayo, criterios alternos de protección

que permitan ofrecer realmente un aumento en la cobertura de

protección.

Con la aparición de las tecnologías ESE y CTS, se han generado

algunas preguntas respecto a su operación y la forma en que dichos

dispositivos pueden ser evaluados para verificar su comportamiento.

Mientras tanto, el rayo sigue siendo un fenómeno natural sumamente

complejo y el conocimiento de sus parámetros eléctricos sigue

obteniéndose en forma paulatina.

Esto representa una severa limitación para que las nuevas tecnologías

puedan ser totalmente evaluadas como un medio alterno de protección

contra tormentas eléctricas a corto plazo.

176

Por lo tanto, la mayoría de las instituciones de investigación

relacionadas con la protección contra tormentas eléctricas han

coincidido en enfrentar el reto de mejorar los sistemas de protección

convencionales mediante las siguientes acciones:

a) Desde el punto de vista estadístico y de beneficios a corto plazo,

es mucho más relevante desarrollar nuevos métodos de diseño

para determinar la distancia de protección relacionada con las

zonas de protección que proponer dispositivos cuya operación

bajo condiciones naturales es cuestionable.

b) Continuar con las investigaciones, tanto de laboratorio como de

campo, con el objeto de introducir parámetros del rayo

adicionales, como polaridad, carga espacial, viento y humedad

relativa sobre el proceso inicial de la microdescarga, paso previo

al desarrollo del líder ascendente y su impacto tanto en

terminales aéreas convencionales como en terminales aéreas con

tecnologías nuevas.

c) Continuar con las observaciones del rayo en su desarrollo natural

en lugares con una elevada incidencia de rayos, aprovechando la

infraestructura correspondiente para incluir la operación de

terminales aéreas convencionales y no convencionales.

d) Condensar toda la información estadística sobre el fenómeno del

rayo, dándole un tratamiento efectivo con información de

diferentes lugares y de diferentes fuentes de información.

Con el objeto de darle transparencia a los resultados, es necesario que

dichos estudios, análisis, pruebas y evaluaciones sean realizadas por

instituciones o personas ajenas a cualquier organización que tenga

algún vínculo con fabricantes de dispositivos de protección contra


177

Anexos

Anexo 1. Proyecto de Aplicación. Diseño de un Sistema de Protección

contra Tormentas Eléctricas basado en la norma NMX-J-549-

ANCE-2005.

Anexo 2. Planos de Proyecto.

Anexo 3. Índice de Tablas.

Anexo 4. Índice de Ecuaciones.

Anexo 5. Índice de Imágenes.

Anexo 6. Glosario de Términos.

Anexo 7. Bibliografía

Objetivo: Calcular el nivel de proteccion contra tormentas electricas necesario en lainstalacion, lo cual determinara el diseño externo (sistema de red de tierras, cantidady posicion de puntas pararrayo), asi como el diseño interno de protección (unionesequipotenciales y sistema de red de tierras interiores) .

Criterios de Diseño: Esta memoria esta basada en la norma de referencia "NMX-J-549,Sistema de protección contra tormentas eléctricas - Especificaciones, materiales ymetodos de medición".

La siguiente memoria se desarrolla mediante los siguientes pasos y en base al diagramade flujo aplicable al diseño de un Sistema de Protección contra Tormentas Eléctricas.

a) Valoración de Riesgo.b) Sistema Externo de Protección contra Tormentas Eléctricas, SEPTE.c) Sistema Interno de Protección contra Tormentas Eléctricas, SIPTE

Diseño de un Sistema de Protección contra Tormentas Eléctricas basadoen la norma NMX-J-549-ANCE-2005.

Anexo 1.

X200678

Cuadro de texto

178

Caso de Estudio. Datos de entrada.

1.- Proyecto:2.- Ubicación, municipio y estado:3.- Densidad de rayos a tierra anual en la región:Unidades: No. De rayos / km

2/ año.

Ver mapa del promedio anual de densidad de rayos a tierra por estados de larepublica mexicana. NMX-J-549 ANCE 2005.4.- (a) Longitud de uno de los lados de la estructura, en m.5.- (b) Longitud del otro lado de la estructura en m.6.- (c) Altura de la estructura en m.Nota: - La altura h total de la estructura o edificio a proteger debe considerar la altura detodos los equipos instalados sobre techo.7.- Tipo de estructura, ver tabla 2, NMX-J-549 ANCE 2005.8.- Frecuencia media anual permitida de rayos directos:Ver tabla 6 de este volumen o tabla 2, NMX-J-549 ANCE 2005.9.- Distancia entre elementos a evaluar para el calculo dela distancia de seguridad entre cables y materiales. Ver fig.57, 58 y 59. Figuras 14, 15 y 16, NMX-J-549 NCE 2005.10.- Valor de ki para el caso de analisis, ver tabla 9 otabla 7, NMX-J-549 ANCE 2005.11.- Valor de kc para el caso de analisis, ver figura 57, 58y 59. Figuras 14, 15 y 16, NMX-J-549 NCE 2005.12.- Valor de km para el caso de analisis, ver tabla 10 otabla 8, NMX-J-549 NCE 2005.13.- Longitud del conductor de bajada para el caso deanalisis desde el punto de ubicación del elemento a evaluara tierra, en m. Ver ver figura 57, 58 y 59. Figuras 14, 15 y16, NMX-J-549 NCE 2005.17.- Corriente de Corto Circuito en el punto de falla (kA):18.- Duración de la falla (s). :(55 µs) 3 Hz. Tiempo de operación tipico de un interruptor de potencia.

18.50

Industrial0.01

25.000.05

Palma Sola, Veracruz"Gasificadora Girbotol"

3.50

14.008.55

1.50

0.10

0.66

0.50

5.00

X200678

Cuadro de texto

179

1.- Valoración de Riesgo:

La valoración de riesgo es una medida empírica, la cual estima en forma razonable,la probabilidad de incidencia de un rayo directo sobre una estructura

Los resultados de la valoración de riesgo determinan si es necesario la necesidad deinstalar un sistema externo de protección (SEPTE).

1.1- Determinación de la frecuencia anual promedio de rayos directos a una estructura.

La frecuencia anual promedio de rayos directos a una estructura (No), puede calcularsemediante la ecuación siguiente:

Donde:

No: Frecuencia anual promedio de rayos directos a una estructura.Ng: Densidad promedio anual de rayos a tierra por km2, según el mapa del promedioanual de densidad de rayos a tierra por estados de la republica mexicana. Ver Figura 37de este volumen. Fuente: NMX-J-549. Apendice D.Ae: Área equivalente de captura de la estructura, en m

2.

Para este caso, que la instalacion se encuentra en:podemos seleccionar la densidad de rayos a tierra de la región del mapa del promedio

anual de densidad de rayos a tierra en la región.

De donde la densidad de rayos Ng a tierra para esa region es: 3.5

Palma Sola, Veracruz

X200678

Cuadro de texto

180

1.2- Determinacion del Area equivalente de captura:

Según la disposicion del edificio, se clasifica como una instalacion con techo a dos aguas,instalado en terreno plano que no tiene edificios cercanos asociados.

Para una estructura aislada ubicada en terreno plano, con techo plano y de dos aguas,el área equivalente de captura se calcula:

Donde:

Ae: Area equivalente de captura, en m2.

a: Longitud de uno de los lados de la estructura, en m.b: Longitud del otro lado de la estructura en m.h: Altura de la estructura en m.

Nota: - La altura h total de la estructura o edificio a proteger debe considerar la altura detodos los equipos instalados sobre techo.

Calculando la frecuencia anual promedio de rayos directos a una estructura No:

2.- Evaluacion de la necesidad de la protección:

Una vez estimado el valor No, debe compararse con el valor de la frecuencia anualpermitida Nd para evaluar la necesidad de protección.Ver tabla 6 de este volumen o la tabla 2 de la NMX-J-549 ANCE 2005.

Si No (estimado) es ≤ Nd (valor permitido), el SEPTE es opcional.Si No (estimado) es > Nd (valor permitido), debe instalarse un SEPTE.

En este caso, para una subestacion electrica y por su importancia se clasifica comoestructura: , donde la frecuencia anual permitida es de:

Entonces, comparando:

Si, No estimado ≤ Nd (valor permitido) , el SEPTE es opcional.

Si, No estimado > Nd (valor permitido) ,debe instalarse un SEPTE.

Por lo que debe instalarse un Sistema externo de Proteccion contra Tormentas Electricas.

2.1.- Selección del nivel de protección a utilizarse.

La selección del nivel de protección a utilizarse en el diseño para la ubicación y alturade las terminales aéreas depende del tipo y uso de la estructura conforme a lo indicadoen la tabla 7 de eficiencia del SEPTE de acuerdo con el nivel de protecciónde de estevolumen o en la tabla 5 de la MNX-J-549.

0.011 0.01

3044.13A (m2)=

0.011No=

0.01

0.01

Industrial

0.011

X200678

Cuadro de texto

181

De acuerdo a la importancia de la instalacion, el nivel de protección que se seleccionaes el Nivel de protección I, con una eficiencia del 98%.

3.- Determinacion del radio de la esfera rodante y posicionamiento de terminales aereas.

El radio de la esfera rodante, para llevar a cabo el diseño del posicionamiento de lasterminales aereas, esta determinado por la relacion del nivel de protección a utilizarseen el punto 2.1 y la tabla 3 de la NMX-J-549 o la tabla 2 de este volumen.

Tabla 2. Altura de las terminales aéreas verticales de acuerdo con el nivel de protección parael método de la esfera rodante. Niveles de protección de acuerdo al radio de la Esfera rodante;a un nivel de protección mas bajo el radio de la esfera se reduce aumentando la protección.

Por lo tanto, relacionando el nivel de proteccion I y la tabla 2; el radio de la esfera rodante,para el diseño del posicionamiento de las terminales aereas sera de 20m.

X200678

Cuadro de texto

182

3.1.- Consideraciones para el posicionamiento de las terminales aereas y el diseño del SEPTE.

Antes de hacer rodar la esfera sobre la instalación, deben tomarse en cuenta las siguientesconsideraciones de diseño:

a) Existen elementos de la estructura o edificio que por estar encima de los objetos a protegerpueden considerarse en el diseño como terminales aéreas naturales, estos elementos puedenser barandillas, tubos metálicos, etc; y deben ser eléctricamente continuo en todas sus partes,no tener revestimientos de material aislante y estar sólidamente conectados al sistemade puesta a tierra.

b) Es recomendable que la altura de las terminales esté limitada a 3m por encima del objetoa proteger, verificando en todo momento la cobertura de protección en el diseño.

c) Existen dos niveles de referencia en donde debe aplicarse la esfera rodante: el nivel deltecho y el nivel del piso alrededor del edifico o estructura.

d) Cuando la altura del edificio o estructura sea menor que 20 m, él número y ubicación de lasterminales aéreas en el techo del edificio obtenidas al rodar la esfera rodante, es suficientepara asegurar la protección.

e) Cuando la altura del edificio o estructura sea mayor que 20 m pero menor o igual que 60 m,deben instalarse, adicional a las terminales aéreas en el nivel del techo (obtenidas al rodar laesfera rodante correspondiente al nivel de protección), conductores horizontales alrededor deledificio formado lazos cerrados a cada 20 m de altura.

f) Cuando la altura del edificio o estructura sea mayor que 60 m, las terminales aéreas en elnivel del techo deben calcularse con un nivel I de protección. Adicionalmente, deben instalarseconductores horizontales (anillos equipotenciales) alrededor del edificio formando lazos cerradospor lo menos a cada 45 m de altura.

g) Cuando el edificio o estructura sea de acero estructural eléctricamente continuo, no esnecesario instalar los conductores horizontales (anillos equipotenciales), en este caso,es suficiente asegurar la conexión entre los cimientos de la estructura y el SPT.

h ) Para torres de telecomunicaciones con alturas hasta 60 m, debe instalarse como mínimouna terminal aérea en la parte más alta de la misma, con una altura mínima de 2 m sobre losobjetos o equipos (generalmente antenas) más altos adheridos a la torre y a una separacióncomo mínimo de 0.8 m de dichos objetos o equipos.

3.2.- Consideraciones para el diseño de la configuracion de los conductores de bajada.

a) Se permite que el conductor de bajada se forme por soleras, barras redondas, cables ycomponentes naturales (acero estructural o de refuerzo).

b) Distribuirse uniformemente a lo largo del perímetro de la estructura o edificio medianteuna configuración lo más simétrica posible.

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

d) Conectarse a las terminales aéreas y al SPT de manera firme y permanente.

e) Ubicarse lo más alejado posible de circuitos eléctricos, electrónicos, de equipo con riesgode fuego o explosión, accesos para el personal y de puerta y ventanas.

f) Las rutas ubicadas en zona de tránsito de personas deben evitarse y debe cumplirse ladistancia mínima de seguridad

X200678

Cuadro de texto

183

g) El radio de curvatura del conductor de bajada en trayectorias verticales y horizontales debeser mayor o igual a 200 mm.

h) Las terminales aéreas y los conductores de bajada deben estar conectados a nivel de techo.A nivel de suelo, los conductores de bajada deben interconectarse al SPT

i) Si el SEPTE está formado por terminales aéreas horizontales, deben utilizarse dos o másconductores de bajada.

j) Los conductores de bajada deben estar distribuidos de acuerdo con la tabla 8 de este volumen.Los conductores de bajada deben estar ubicados cerca de las esquinas de la estructura.

k) Si la pared de la estructura está hecha de material inflamable, los conductores de bajadadeben ubicarse a una distancia mayor a 0.1 m del elemento a proteger.

3.3 Calculo de la distancia de seguridad para rutas de cables ubicadas en zonascon transito de personas.

La distancia de seguridad s debe calcularse de acuerdo a la Ecuación 18.

Donde:

s: Distancia de seguridad, en m.d: Distancia entre los elementos a evaluar, en m.ki: Depende del nivel de protección seleccionado del SEPTE, véase tabla 9 o tabla 7, NMX-J-549.kc: Depende de la configuración dimensional, véanse figuras 57, 58 y 59 de este volumen.km: Depende del material de separación (aire o sólido), véase tabla 11.l: Longitud del conductor de bajada desde el punto de ubicación del elemento a evaluar a tierra, en m.

X200678

Cuadro de texto

184

Calculando la distancia de seguridad:

S =

3.3- Consideraciones para lograr la union equipotencial a nivel Externo para un SEPTE.

a) Instalar 2 placas de unión como mínimo, adheridas al acero de refuerzo o perfil metálico de lacimentación, distribuidas uniformemente, tanto en azoteas com en la planta baja o sótano de lainstalación, como preparación para la UE, actual o futura. Ver Figura 63, 64 y 65.

b) A nivel del techo, los elementos del SPTE en nivel del techo deben interconectarse alacero de refuerzo de la instalación.

c) A nivel del suelo, los elementos metálicos estructurales de la instalación deben conectarseal SPT, directamente o a través de placas o barras de unión.

d) Cuando las partes metálicas de la estructura se utilicen como conductores de bajadanaturales, éstas pueden ser consideradas como un medio para lograr la UE.

e) Las partes metálicas que se encuentren fuera del volumen a proteger, que no cumplan conla distancia mínima de seguridad o que representen peligro de electrocución para el personal,deben conectarse a los elementos del SEPTE utilizando la trayectoria más corta posible.

f) En los lugares en donde estas partes o elementos metálicos tengan una trayectoria paralelaa los conductores de bajada o columna de la estructura, deben interconectarse en cada extremo

y a un intervalo promedio de 10 m a lo largo de su trayectoria.

g) Es importante realizar la UE entre las partes metálicas de los servicios que entran o salen dela estructura y el SPT. La omisión equipotencial puede someter a los elementos metálicos delservicio a posibles arcos eléctricos a través del suelo, aumentando el riesgo de daño y perforaciones.

0.66

Por lo tanto, la distancia de seguridad minima entre el paso de cables y el camino de

transito de personal, debe ser de 0.66 m la cual debe ser menor de 1.5 m

X200678

Cuadro de texto

185

4.- Consideraciones para el diseño del Sistema Interno de Protección. SIPTE.

La puesta a tierra de los equipos eléctricos, estructuras metálicas, etc., que se encuentran enel interior del edificio o estructura, representa, entre otras cosas, un medio de seguridad, cuyoobjetivo principal es garantizar la operación confiable y la integridad física de los equipos antecondiciones anormales, así como la integridad física de las personas.

Asimismo, dichas instalaciones eléctricas, deben contener como mínimo los elementossiguientes, según sea el caso:

a) Barra de puesta a tierra, la cual debe estar cercana del interruptor o tablero principal deacometida y en pisos superiores cercana a la zona de tableros de distribución eléctricosderivados. Puede instalarse empotrada a nivel de pisos o pared o sobrepuesta, debe conectarsefirmemente al SPT de la instalación o estructura y ubicarse en un lugar accesible y defácil identificación.

b) El neutro de la acometida de baja tensión, en el interior del edificio o estructura, debeconectarse en forma permanente a la barra de puesta a tierra.

c) Todos y cada uno de los circuitos derivados para alimentar receptáculos y luminarias,debe existir un conductor desnudo de puesta a tierra (de seguridad) y, en su caso,un conductor de puesta a tierra con aislamiento para equipo electrónico.

d) Cada tablero de distribución principal o derivado debe contar sin excepción con sus barrasde neutro y de puesta a tierra, para conectar las terminales de neutro que existan en el tableroy alambrar los circuitos de puesta a tierra que se requieran.

e) La barra de puesta a tierra (remate) debe ubicarse cerca de los armarios o gabinetes de equipoelectrónico. La barra debe montarse sobre un elemento aislante y sobrepuesto en piso o pared.

f) Un conductor de cobre con aislamiento de color verde o verde con franjas amarillas paraderivar desde la barra de puesta a tierra (remate) para armarios o gabinetes de equipode telecomunicaciones.

g) La instalación de supresores para la protección de equipo eléctrico y electrónico sensible esindispensable, para garantizar la operación confiable del equipo ante condiciones de sobretensiones.

La puesta a tierra para estos protectores debe efectuarse en la barra de puesta a tierra de cadatablero o interruptor, respetando el tamaño del conductor indicado por el fabricante y deacuerdo con la clasificación indicada para los supresores de sobretensiones transitorias.

h) Un cable de cobre desnudo por las charolas de cables, el cual debera conectarse a la barrade red de tierras de la instalacion.

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Cuadro de texto

186

5.- Calculo de la seccion minima del cable del sistema de puesta a tierra.

Bajo condiciones de cortocircuito, se incrementa con rapidez la temperatura del cable depuesta a tierra del sistema, si la seccion del conductor, no es adecuada para soportar lascondiciones de cortocircuito, el intenso calor generado en tan poco tiempo produce dañosseveros en forma permanente.

Para determinar la corriente permisible en el conductor o pantalla, es necesario tambienconocer el tiempo que transcurre antes de que las protecciones operen para liberar la falla.Por lo tanto:

Donde:

I= Corriente Maxima de Corto Circuito permitida, amp.K= Constante que depende del material del conductor (Tabla 11.7)A= Area de la sección transversal del conductor, mm2t= Tiempo de duración del cortocircuito hasta la liberación de la falla, seg.T= Temperatura en °C (bajo cero) en la cual el material del que se trate tiene resistencia

electrica teoricamente nula (tabla 11.7)T1= Temperatura inicial del conductor, °C.T2= Temeperatura final del conductor, °C. Tabla 11.6.Temperaturas maximas admisibles

en condiciones de corto circuito (°C).

3.- Determinación de la seccion minima para soportar los efectos de corto circuito:

El factor K según la tabla 11.7 es para el cobre igual a:La temperatura T es según la tabla 11.7 igual a: °CLa temperatuta T1 inicial del conductor es de: °CLa temperatuta T2 final del conductor según la tabla 11.6 es de: °C

Tabla 11.7. Valores de K y T para la ecuación del calculo de la seccion del cable por CC.Manual de cables de energia de Condumex.

Por lo que, con la corriente de corto circuito y el tiempo de duración de la falla, la seccióntransversal minima necesaria debe ser de:

A= mm2

El cual correspondería a un cable de calibre 1 AWG (42.41 mm 2).

Para una subestación, según la NRF-011, Sistema de tierras para plantas y subestacioneselectricas, CFE, el calibre mínimo a utilizarse debe ser 4/0 awg.

Por lo que para el diseño de la red de tierras se utilizara cable desnudo de cobre 4/0 awg.

0.0297

234.5

90

250

39.39

Material

Cobre

180

228

236.5

K

0.0297

Acero 0.00326

Aluminio

Plomo

0.0125

0.0097

T

234.5

TT

TTK

tIA

1

2

22

log

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Cuadro de texto

187

6. Diseño del Sistema de Proteccion contra Tormentas Electricas.

a) Según el resultado de la valoracion de riesgo del punto 1 de esta memoria, es necesaria lainstalación de un Sistema de Proteccion Externa Contra Tormentas Electricas en la instalación.

b) De acuerdo a la importancia de la instalacion, el nivel de protección que se seleccionaes el Nivel de protección 1, con una eficiencia del 98%.

c) De acuerdo al punto 3 de esta memoria, el radio de la esfera rodante para el posicionamientode las terminales aereas debe ser de 20 m.

d) Se debera respetar la distancia de seguridad calculada en el punto 3.3 de esta menoria,dicha distancia de .66 m.

e) Se deberan tomar en cuenta las consideraciones para el posicionamiento de las terminalesaereas y el diseño del SEPTE del punto 3.1.

f) Se deberan tomar en cuenta las consideraciones para el diseño de la configuracion de losconductores de bajada del punto 3.2 de esta memoria.

g) Se deberan tomar en cuenta las consideraciones para lograr la union equipotencial a nivelExterno para un SEPTE del punto 3.3 de esta memoria.

h) Se deberan tomar en cuenta las consideraciones para el diseño del Sistema Interno deProtección. SIPTE del punto 4 de esta memoria de calculo.

i) El calibre de la malla de red de tierras, sera minimo el calibre calculado para soportarla corriente de falla duante el tiempo establecido. Ver determinacion del calibre minimo en elpunto 5 de esta memoria.

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Cuadro de texto

188

7.- Ingenieria, detalles de montaje y lista de materiales.

Lista de documentos:

* Disposicion de Equipo Planta y Cortes. Caseta de Control.* Sistema de Proteccion contra Tormentas Electricas y Sistema de Puesta a Tierra.* Plano de Detalles de Montaje.

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Cuadro de texto

189

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Cuadro de texto

Mapa del promedio anual de densidad de rayos a tierra por estados.

Originator: ET HS E/ G.LOZANO

© Siemens AG 2011 All Rights Reserved

AISCAB_C1_FAN.sag

AIS-Cable 1.1.2.3

Print date: 13/05/2011 04:15 p.m. Issue: 14/05/2011

Page: 1/3

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Cuadro de texto

190

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Cuadro de texto

191

Anexo 2. Planos de Proyecto.

PLANTA ALTA

C O R T E A - A' C O R T E B - B'

PLANTA BAJA

X200678

Cuadro de texto

M. en C. EDGAR BELMONTE GONZALEZ M. en C. OSCAR PUENTE NAVARRETE

PLANTA AZOTEA

PLANTA ALTA

PLANTA BAJA

NOTAS GENERALES SIMBOLOS

X200678

Cuadro de texto


C O R T E A - A'

NOTAS GENERALES

SIMBOLOS

C O R T E B - B'

X200678

Cuadro de texto


X200678

Cuadro de texto


ANEXO 3 - INDICE DE TABLAS 196

Anexo 3. Índice de Tablas

Tabla 1. Magnitud de las corrientes de las descargas Pág. 26

Atmosféricas y su probabilidad de ocurrencia.

Tabla 2. Niveles de protección de acuerdo al radio de Pág. 49

la Esfera rodante.

Tabla 3. Niveles de protección del Angulo de protección Pág. 54

según el radio de la esfera rodante.

Tabla 4. Niveles de protección de la Malla extendida Pág. 58

según el radio de la esfera rodante.

Tabla 5. Materiales y dimensiones mínimas de las Pág. 91

terminales aéreas.

Tabla 6. Frecuencia media anual permitida de rayos Pág. 114

directos sobre estructuras comunes.

Tabla 7. Eficiencia del SEPTE de acuerdo con el nivel Pág. 128

de protección.

Tabla 8. Distancia promedio de separación entre los Pág. 142

conductores de bajada contiguo de acuerdo

al nivel de protección.

Tabla 9. Valores de ki para el efecto de proximidad de Pág. 143

las instalaciones y el SEPTE.

Tabla 10. Valores de km para el efecto de proximidad Pág. 143

de las instalaciones y el SEPTE.

Tabla 11. Tecnologías utilizadas en los supresores de Pág. 172

transitorios.

Tabla 12. Recomendaciones para selección de los Pág. 173

supresores para corriente alterna.

ANEXO 4 – INDICE DE ECUACIONES 197

Anexo 4. Índice de Ecuaciones

Ecuación 1. Pág. 26

Ondas inducidas por descargas atmosféricas.

Ecuación 2 y 3. Pág. 43

Ecuaciones del Angulo optimista.


Ecuaciones del Angulo de áreas equivalentes.


Ecuaciones del Ángulo conservador.

Ecuación 8, 9, 10 y 11. Pág. 52 y 53

Análisis Geométrico del Método de la Esfera rodante.

Ecuaciones del radio de protección de la esfera rodante.


Incremento de la altura de la terminal debido a la generación

temprana del streamer.


Frecuencia anual promedio de rayos directos a una

estructura (N0).


Área equivalente de captura. Para una estructura aislada

ubicada en terreno plano, con techo plano y de dos aguas.


Área equivalente de captura. Para una estructura aislada

ubicada en terreno irregular.

ANEXO 4 – INDICE DE ECUACIONES 198


Área equivalente de captura. Para una estructura con

otras adyacentes.


Calculo de la distancia de seguridad.

ANEXO 5 – INDICE DE IMAGENES 199

Anexo 5. Índice de Imágenes

Fig.1 Fenómeno electrostático de separación de cargas Pág.3

Fig.2 Formación de la nube de tormenta. Pág.5

Fig.3 Distribución de la magnitud de la corriente de

descarga. Pág.6

Fig.4 Distribución del tiempo necesario para alcanzar

el valor cresta. Pág.7

Fig.5 Tipos de descargas atmosféricas. Pág.7

Fig.6 Descargas atmosféricas nube tierra. Pág. 9

Fig.7 Primer paso de la descarga atmosférica. Pág. 10

Fig.8 Modelo del líder descendente. Pág. 11

Fig.9 Modelo del streamer-líder. Pág. 12

Fig.10 Generación del líder ascendente. Pág. 14

Fig.11 Último paso de la descarga o distancia crítica

de rompimiento. Pág. 15

Fig.12 Distancia típica de caída del rayo (3 Km.),

tiempos del streamer líder, dart leader en .1

segundos de duración del rayo. Pág. 16

Fig.13 Curva de efectos de la corriente eléctrica. Pág. 19

Fig.14 Representación del Potencial de Paso. Pág. 21

Fig.15 Diagrama del Potencial de Paso. Pág. 22

Fig.16 Curva típica de una descarga atmosférica. Pág. 27

Fig.17 Angulo de protección de una terminal aérea Pág. 37

según Benjamin Franklin.

Fig.18 Zona de protección propuesta por Benjamin Pág. 39

Franklin, de aproximadamente 58°.

Fig.19 Zona de protección propuesta por William Snow Pág. 40

en 1840, con un ángulo de aproximadamente 63°.

Fig.20 JBCK Gay Lussac 1823; BAC Snow 1840; DAE Pág. 42

Paris Commission 1875; LFGM Chapman 1875;

FAG Adams 1881; FAG Preece 1880; HAI Melsens.

Fig. 21 Conceptos del ángulo de protección. Pág. 43


Fig.22 Método del Ángulo de protección utilizando dos

terminales aéreas verticales. Pág. 46

Fig.23 Aplicación del Modelo Electrogeométrico, los Pág. 47

puntos de incidencia representan la colocación

de terminales aéreas, R; se refiere al radio de la

esfera según el nivel de protección.

Fig.24 Análisis Geométrico del Método de la Esfera Pág. 52

rodante.

Fig.25 Protección mediante el método de Malla extendida. Pág. 57

Fig.26 Clasificación de la IEC 1024-1 para el diseño Pág. 64

de un SPTE.

Fig.27 Ramas integrales de la IEC 1024-1. Pág. 65

Fig.28 Normas y Recomendaciones Extranjeras. Pág. 67

Fig.29 Concentración de campo en la punta del conductor Pág. 89

debido a la distorsión que este crea con el campo

eléctrico de la tierra.

Fig.30 Líderes ascendentes generados a partir de las Pág. 90

microdescargas de las corrientes coronas.

Fig.31 Pararrayos radiactivo. Pág. 92

Fig.32 Volumen de protección ESE es de hasta 100m Pág. 93

según los fabricantes.

Fig. 33 Comparación de la zona de protección entre un Pág. 95

Electrodo Franklin (ds) y una terminal ESE (ds+∆L)

de acuerdo a la teoría de funcionamiento ESE.

Fig.34 Terminal ESE equipada con un generador Pág. 96

electrostático eólico y un dispositivo de láser.

Fig.35 Arreglos multipuntas CTS. Pág. 102

Fig.36 Diagrama de flujo de un Sistema de Protección Pág. 110

contra Tormentas Eléctricas.

Fig.37 Mapa del promedio anual de densidad de rayos a Pág. 112

tierra por estados.

Fig.38 Mapa del promedio anual de densidad de rayos a Pág. 113


tierra por estados.

Fig.39 Área de captura equivalente para una estructura Pág.116

con techo plano y terreno plano.


con techo de dos aguas y terreno plano.


en terreno irregular. Depresión.


en terreno irregular. Sobre el nivel.


en terreno irregular. Plataformas.


en terreno irregular. Plataforma con desnivel.

Fig.45 Área de captura equivalente para una estructura con Pág. 123

objetos vecinos.

Fig.46 Área de captura equivalente para una estructura con Pág.124

objetos vecinos.

Fig.47 Aplicación del método de la esfera rodante para Pág.127

definir la altura y posición de las terminales aéreas

de intercepción de rayo.

Fig.48 Altura máxima efectiva de una terminal aérea a Pág.128

partir del plano a proteger.

Fig.49 Espacio de protección (volumen bajo las líneas Pág.129

discontinuas) de una terminal aérea (a) vertical

y (b) horizontal obtenido mediante el método de

la esfera rodante.

Fig.50 Arreglo típico de ubicación de terminales aéreas Pág.134

verticales y horizontales para torres.

Fig.51 Conductores de bajada naturales utilizando el Pág.136

acero de refuerzo.

Fig.52 Ruta recomendada para conductores de bajada Pág.137

en edificios con geometrías complejas como la

indicada con tránsito de personas.


Fig.53 Distancia de seguridad para el caso de un conductor Pág. 137

de bajada en edificios con geometrías complejas.

Fig.54 Arreglo de un conductor de bajada cumpliendo con el Pág. 138

radio de curvatura para un mástil soporte.

Fig.55 Trayectorias para los conductores de bajada del SEPTE Pág. 139

en marquesinas y pretiles.

Fig.56 Arreglo físico representativo de la conexión entre Pág. 141

terminales aéreas, conductores de bajada y un arreglo

cerrado del sistema de puesta a tierra.

Fig.57 Valor del coeficiente kc para un o dos conductores Pág. 143

de bajada.

Fig.58 Valor del coeficiente kc para tres o cuatro Pág.144

conductores de bajada.

Fig.59 Valor del coeficiente kc para más de cuatro conductores Pág. 144

de bajada.

Fig.60 Ejemplo de un SEPTE aislado y separado de la Pág. 147

estructura a proteger.

Fig.61 Arreglo típico de la conexión para lograr la unión Pág. 148

equipotencial.

Fig.62 Diagrama entre los elementos del SEPTE con el SPT, Pág. 150

para lograr la UE en edificios o estructura de 60 m

o menor.

Fig.63 Detalle típico de conexión al acero de refuerzo. Pág. 150

Fig.64 Detalle típico de conexión al acero de refuerzo Pág. 151

(viga de acero).

Fig.65 Detalle típico de conexión al acero de refuerzo. Pág. 151

Fig.66 Ejemplo ilustrativo de la UE en la parte externa a Pág. 152

nivel del techo para un SEPTE no aislado.

Fig.67 Arreglo conceptual de la UE a nivel interno. Pág. 154

Fig.68 Ejemplo de UE a nivel interno en una estructura. Pág. 156

Fig.69 Métodos para reducir las tensiones por Pág. 159

blindaje y por cableado dentro de la estructura,

a partir de un sistema sin protección.

Fig.70 Combinación de blindaje y ruta de Pág. 161


cableado para reducir los efectos de las tensiones

inducidas.

Fig.71 Ejemplo ilustrativo del diseño de unión Pág. 162

equipotencial en una estructura con equipo electrónico.

Fig.73 Caminos para la entrada de sobretensiones Pág. 167

transitorias.

Fig.74 Transitorio de modo diferencial. Pág. 168

Fig.75 Transitorio de modo común. Pág. 168

Fig. 76 Diagrama ilustrativo de una protección multietapa Pág. 169

para circuitos de baja tensión y señal telefónica.

Fig.77 Categorías para la selección de supresores. Pág. 171

ANEXO 6 - GLOSARIO DE TÉRMINOS 204

Anexo 6. Glosario de Términos.

Ángulo de protección: Espacio adyacente a una terminal aérea

(horizontal o vertical) que es sustancialmente inmune a sufrir la

incidencia de un rayo directo.

Arcos eléctricos peligrosos: Descarga eléctrica inaceptable causada

por la corriente de rayo entre elementos ubicados dentro del espacio

a protegerse.

Área equivalente de captura (Ae): Área sobre la superficie del suelo,

que tiene la misma frecuencia anual de rayos directos de una

estructura.

Armado de acero interconectado: Partes de acero dentro de la

estructura considerada como eléctricamente continua.

Barra de unión: Elemento metálico utilizado para conectar partes

metálicas (pertenecientes a la instalación o ajenas a ella), líneas

eléctricas y de comunicaciones y otros a un SPTE.

Componentes naturales de un SPTE: Elementos metálicos instalados,

no específicamente diseñados para proveer protección contra rayos,

los cuales pueden cumplir la función de una o más partes del SPTE.

Notas.

Ejemplo en el uso de estos términos son:

1 Terminales aéreas naturales

2 Conductores de bajada naturales.

3 Electrodo de puesta a tierra natural.


Conductor de bajada: Elemento metálico de unión que proporciona

una trayectoria de baja impedancia desde las terminales aéreas

hasta el sistema de puesta a tierra.

Conductor de unión: Elemento metálico utilizado para realizar las

conexiones entre las partes metálicas a conectarse y la barra de

unión.

Corriente de Rayo (i): Aquella que circula al punto de incidencia,

asociada con el impulso de retorno.

Corrosión de Materiales: Desintegración gradual de los materiales

metálicos, debido a la interacción con el medio que lo rodea y puede

ser galvánica o química.

Densidad de Rayos a Tierra: Número de rayos promedio por km2 por

año en un lugar determinado.

Distancia crítica de rompimiento o último paso de la descarga: Distancia

entre la punta del líder escalonado descendente del rayo y la punta

de la terminal aérea de intercepción, cualquier objeto sobre tierra o

el nivel del suelo, justo antes de presentarse el arco de rompimiento

que da lugar a la corriente de rayo de retorno. Esta distancia

corresponde al radio adoptado de la esfera rodante como parámetro

de diseño.

Distancia de Seguridad: Espacio mínimo requerido entre partes

conductoras dentro del espacio a protegerse, para evitar la

generación de arcos eléctricos peligrosos.

Duración del rayo (T): Intervalo de tiempo en el que circula la corriente

de rayo desde su inicio en la nube hasta el punto de incidencia.


Eficiencia de un SPTE: Parámetro asociado con el nivel de protección

que determina la capacidad de protección del blindaje para ofrecer

puntos de impacto a la corriente de rayo.

Electrodo de puesta a tierra: Elemento metálico enterrado que

establece una conexión eléctrica a tierra.

Electrodo de puesta a tierra en anillo: Electrodo de puesta a tierra

con una trayectoria cerrada alrededor de la estructura, edificio o

instalación, debajo o sobre la superficie de la tierra.

Elemento de unión: Pieza metálica que sirve para efectuar la unión de

uno o más elementos metálicos, con propiedades eléctricas y

mecánicas adecuadas.

Energía específica (W/R): Energía disipada por la corriente de rayo en

una resistencia unitaria. Es la integral de tiempo del cuadrado de la

corriente de rayo para el tiempo total de la corriente de rayo.

Espacio a proteger: Parte de una estructura o región donde se requiere

una protección contra el efecto de las tormentas eléctricas.

Estructuras comunes: Son aquellas estructuras utilizadas para

propósitos considerados como ordinarios, ya sea comercial,

industrial, rural, institucional o residencial.

Estructuras no comunes: Estructuras utilizadas para propósitos

considerados como no ordinarios, tales como torres de

telecomunicaciones, estructuras costa afuera y estructuras con

riesgo de fuego y explosión.

Frecuencia anual permitida de rayos directos: Frecuencia anual

permitida de rayos que pueden causar daño a la estructura.


Nota- Por ejemplo, una frecuencia de rayo aceptable de 1 rayo cada 10 años tendrá un

riesgo mayor que una frecuencia de 1 rayo cada 20, 50 ó 100 años. A mayor el

intervalo de años, menor de rayo directo sobre la instalación, edificio o estructura.

Frecuencia de rayo directo a una estructura: Número anual promedio

esperado de rayos directos una estructura.

Impulso (rayo) de retorno: Proceso súbito de neutralización de la carga

de la nube a través de un flujo de electrones en el canal ionizado del

líder escalonado descendente. Este impulso de retorno puede ser

único o repetirse varias veces, con una duración total menor que 1 s.

Instalaciones metálicas: Partes de metal ubicadas en el espacio a

protegerse, las cuales pueden formar parte de la trayectoria de la

corriente de rayo.

Nota: Ejemplos de estas partes metálicas son: tuberías, riel guía para relevadores,

ventilación, ductos para calefacción y aire acondicionado, y piezas del armado de

acero conectados.

Líder escalonado ascendente: Canal ionizado a través del cual se

realiza el movimiento de la carga inducida en tierra (o algún objeto

sobre tierra) hacia la punta del líder descendente y está formado por

descargas discontinuas en el aire. El líder ascendente es de

polaridad opuesta a la carga del líder descendente.

Nota: El líder escalonado ascendente es algunas veces referido como líder ascendente.

Líder escalonado descendente: Canal ionizado a través del cual se

realiza el movimiento de la carga de la nube a tierra y está formado

por descargas discontinuas en aire.

Nota- El nivel de protección expresa la efectividad de un SPTE para proteger un

espacio contra los efectos del rayo.

Probabilidad de daños: Posibilidad de que la corriente de rayo cause

daño a la estructura, edificio o instalación.


Punto de incidencia: Punto de donde el rayo hace contacto con la

tierra, a una estructura o a los elementos constitutivos de un

sistema de protección contra tormentas eléctricas.

Nota- En lo sucesivo, la palabra rayo tendrá el significado de un rayo de nube a tierra.

Registro para prueba: Punto accesible del sistema de puesta a tierra.

Resistividad superficial: Resistividad promedio de la capa superficial

del suelo.

Red de puesta a tierra de referencia: Malla equipotencial dispuesta

sobre piso para la conexión a tierra de equipo electrónico.

Riesgo de daños: Probables pérdidas anuales promedio (humanas o

materiales) en una estructura debido a los efectos del rayo.

Sistema de protección contra tormentas eléctricas (SPTE): Conjunto

de elementos utilizados para proteger un espacio contra el efecto de

las tormentas eléctricas. Este conjunto está compuesto tanto de un

sistema externo como de un sistema interno de protección.

Sistema externo de protección contra tormentas eléctricas (SEPTE):

Conjunto de elementos para interceptar (terminales aéreas),

conducir (conductores de bajada) y disipar (red de puesta a tierra) en

forma eficiente la corriente de rayo.

Sistema externo de protección contra tormentas eléctricas aislado

(SEPTE Aislado): Conjunto de elementos, para interceptar

(terminales aéreas), conducir (conductores de bajada) y disipar (red

de puesta a tierra), arreglados de tal manera que los dos primeros

elementos no tengan contacto eléctrico con la estructura a proteger.

Sistema externo de protección contra tormentas eléctricas no

aislado (SEPTE no aislado): Conjunto de elementos, para

interceptar (terminales aéreas), conducir (conductores de bajada) y


disipar (red de puesta a tierra), arreglados de tal manera que los dos

primeros elementos tengan contacto eléctrico con la estructura a

proteger.

Sistema interno de protección contra tormentas eléctricas (SIPTE):

Sistema formado por todas aquellas medidas de protección que

permiten reducir el riesgo de daño a personas, instalaciones y su

contenido, mediante la puesta a tierra, unión equipotencial, blindaje

electromagnético, y supresores para sobretensiones.

Sistema de terminales aéreas: Conjunto de elementos cuya función es

conducir la corriente de rayo desde las terminales aéreas hasta el

sistema de puesta a tierra.

Sistema de puesta a tierra (SPT): Sistema formado por elementos

enterrados en el suelo cuya función es conducir y disipar la corriente

de rayo a tierra. Este sistema forma parte del SEPTE y del SIPTE, el

cual es independiente de cualquier otro sistema de puesta a tierra en

la instalación eléctrica.

Supresor de sobretensiones transitorias (SSTT): Dispositivo

destinado a proteger al equipo eléctrico y electrónico sensible,

limitando las sobretensiones y las sobrecorrientes transitorias

causadas por efectos de las descargas eléctricas atmosféricas o las

provocadas por maniobras en las redes de distribución eléctrica y

operación de equipo eléctrico interno para una tensión máxima de

600 V.

Nota- Este dispositivo es conocido como supresor de picos, supresor de transitorios,

supresor de sobretensiones o supresor de sobretensiones transitorias (TVSS, SPD).

Existen supresores para corriente alterna, corriente continua, radio frecuencia,

entre otros.


Tormenta eléctrica: Actividad atmosférica caracterizada por la

presencia de rayos, ya sea que terminen en tierra (rayos de nube a

tierra) o que terminen en tierra (rayos entre nube o a nivel de nube).

Terminales aéreas: Elementos aéreos metálicos cuya función es recibir

la descarga del rayo ofreciendo un punto de incidencia con el fin de

evitar a la estructura a proteger.

Unión equipotencial (EU): Es aquella unión correspondiente a la parte

de un SPTE cuyo fin es reducir las diferencias de potencial causada

por la circulación de la corriente de rayo.

Valor pico de corriente de rayo (I): Máximo valor de la corriente de

rayo.

Valor promedio de la pendiente de la corriente de rayo (di/dt):

Diferencia entre los valores de la corriente de rayo al inicio y al final

de un intervalo de tiempo especifico [i(t2)-i(t1)] dividido entre el

intervalo de tiempo [t2-t1].

ANEXO 7 – BIBLIOGRAFIA 211

Anexo 7. Bibliografía

NMX-J-549-ANCE-2005, Sistema de protección contra tormentas eléctricas –

especificaciones, materiales y métodos de medición.

IEC 62305-1 – 2006, Protection against lightning – Part 1: General principles.

IEC 62305-2 – 2006, Protection against lightning – Part 2: Risk management.

IEC 62305-3 – 2006, Protection against lightning – Part 3: Physical damage to

structures and life Hazard.

IEC 62305-4 – 2006, Protection against lightning – Part 4: Electrical and

electronic systems within Structures.

IEC 62305-5, Protection against lightning – Part 5: Services (Por publicarse).

NFPA 780-2008, Standard for the Installation of Lightning Protection Systems.

Berger K. & R.B.Anderson. Parameters of Lightning Flashes. Electra No. 41,

1976.

British Standard BS 6651. Code of Practice for Protection of Structures Against

Lightning. 1992.

Davis N. H. III.The Rolling Sphere Interception Concept. 19th International

Conference on Lightning Protection, Graz, Austria, 1988, pp. 95-97.

Dellera L.& E. Garbagnati. Lightning Exposure of Structures and Interception

Efficiency of Air Terminals. Report of CIGRE Task Force 33.01.03

(Interception). 1998.

Golde R. H. Lightning Protection. Butler & Tanner Ltd, London 1973.

Golde R. H. Protection of Structures Against Lightning. Proc. Of the Institution

of Electrical Engineers – Control & Science, Vol. 115, No. 10, 1968, pp. 1523-

1529.

Hedges, Killinworth. Modern Lightning Condcutors: An Illustrated Supplement

to the Report of the Lightning Research Committee of 1905 with Notes as The

Methods of Protection and Specifications. Crosby Lockwood and Son. London.

Horvath T. Computation of Lightning Protection. Wiley & Sons Inc. 1991.

IEC 61024-1, 1-1 y 1-2. Protection of Structures Against Lightning. General

Principles, Guide A and Guide B. 1990, 1993, 1998 respect.

IEC 61312-1, -2, -3, -4. Protection Against Lightning Electromagnetic Impulse.

General Principles. Shielding of Structures, Bonding Inside Structures and

Bonding. Requirements of Surge Protective Devices. Protection of Equipment in

Existing Structures. 1995, 1999, 2000, 1998 respect.

IEC 61662. Assessment of the Risk of Damage Due to Lightning, 1996.

IEC 61663-1. Lightning Protection – Telecommunication Lines. Part 1. Fibre

Optic Installations. 1999.

ANEXO 7 – BIBLIOGRAFIA 212

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Chamonix Mont-Blanc, France, 1997, pp.3-9.

Lee R. Lightning Protection of Buildings. IEEE Transac. On Industry

Applications, Vol. IA-15, No. 3, 1979, pp.236-240.

Lemmon, W. S. et al. Specifications for Protection of Buildings Against

Lightning”. National Fire Protection Asociation, Quincy, MA.

National Fire Protection Association NFPA-780. Standard for the Installation of

Lightning Protection Systems. 1997.

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Installation of Lightning Protective System.

Preece, W. H. On the Space Protected by a Lightning Conductor Phil. Magazine,

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Tesis Completa - Gabriel Lozano Cervantes

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