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Proteccion contra Rayos

08 Jul 2014

Puesta a tierra

Sistemas de protección contra rayos

Rayo es una descarga eléctrica de origen atmosférico entre una nube y tierra, que presenta uno o más impulsos de corriente.

Iniciemos con un algunas consideraciones:

no se puede impedir la formación de rayos (y es algo que se busca…)
no se puede garantizar la protección absoluta (y es algo que se desea…)
pero una instalación de protección bien realizada reduce el riesgo de daños (así se debe hacer…).
El sistema de protección puede ser externo e interno, el externo esta formado por:

dispositivo captor
conductores de bajada
sistema de puesta a tierra
la correcta integración de estas partes brinda la buena protección externa
Al diseñar una nueva estructura se debe plantear la integración de la protección, para sacar la máxima ventaja de los elementos de la estructura que se aprovechan como conductores. La instalación integrada permite reducir costos y trabajos ligados a la protección.

Las estructuras metálicas son conductores naturales, pero también las estructuras de hormigón armado (si cumplen algunas condiciones en la armadura de hierro) se pueden considerar como buenos conductores.

Los cimientos a su vez pueden ser una toma de tierra eficaz.

Para aprovechar estas posibilidades es obligado un fluido dialogo con los proyectistas de la estructura, lógicamente desde el inicio del proyecto (mucho antes de que inicie la construcción).

Sistema captor

Esta formado por una combinación de varillas con puntas, conductores tendidos, mallas, o componentes naturales de la estructura (techo metálico).

El captor debe estar en los lugares donde cumple la función de tal.

El método para encontrar las zonas de la estructura donde deben encontrarse los captores utiliza una esfera rodante (- ray-04-).

Imagínese el modelo de las estructuras realizadas con cajas (paralelepipedos y cilindros) y una esfera (de radio dado) que pinta las superficies sobre las que apoya, se hace rodar la esfera sobre el suelo, y todas las estructuras, parte quede sin pintar, y parte queda pintada.

La superficie pintada es aquella que puede ser alcanzada por un rayo, las partes de estructura pintadas son aquellas donde deben estar los captores, las partes sin pintar son áreas protegidas (por los captores de las zonas pintadas).

El radio de la esfera se toma entre 20 y 60 metros según el nivel de protección (mayor menor) que se necesita (debe) tener.

Otro método para verificar el área protegida, aplicables especialmente a captores de varilla vertical, o cable tendido horizontal, consiste en determinar el área protegida con un cierto ángulo de protección, cuyo valor depende del nivel de protección a alcanzar (- ray-02-).

Cuando el captor se hace con mallas, el área protegida se define debajo de las mallas, y con la esfera rodante o el ángulo de protección (- ray-03-).

El captor puede hacerse con componentes naturales (captor de hecho) de la estructura:

chapas metálicas
elementos metálicos de construcción del tejado (cerchas, armaduras)
canalones, barandillas y decoraciones
conductos, conductores, y depósitos
para que el techo pueda considerarse captor debe haber:

continuidad eléctrica entre las chapas
espesor de las chapas, 0.5 mm si se acepta la perforación, o más (4 mm para hierro) si se pretende que no se perfore.
Las chapas no deben estar cubiertas de material aislante (pintura, 0.5 mm de asfalto, 1 mm de PVC no se consideran aislantes)
Conductos y depósitos deben ser de 2.5 mm si se acepta la perforación, o más (5 mm para hierro) si no se acepta.
Entre el captor y un objeto metálico que se quiere protegido debe haber cierta distancia, que debe ser mayor que la llamada distancia de seguridad.

Las bajadas

Se deben disponer para que se presenten varias trayectorias en paralelo entre el punto de impacto y la tierra, además la longitud de las trayectorias debe reducirse al mínimo, es lógico que las bajadas sean prolongación del captor.

La bajada de un mástil metálico es natural (- ray-05-), no requiere conductor de bajada, análogamente una antena.

Si el captor es de conductores horizontales es necesaria al menos una bajada en cada extremo, si es una red de mallas, al menos una bajada por cada estructura de apoyo.

Las bajadas se deben repartir a lo largo del perímetro de manera de tener una separación media (10 a 25 metros, según el nivel de protección mayor – menor), y al menos dos bajadas en los ángulos de la estructura.

Las bajadas se deben interconectar horizontalmente cerca del suelo, y en edificios altos cada 20 metros de altura.

Si la pared es de material no combustible se pueden fijar a ella, o empotrar, si el material es inflamable y el calentamiento de la bajada puede acarrear peligro se considera que 0.1 m de separación es suficiente para brindar seguridad.

Las bajadas deben estar alejadas de puertas y ventanas, su trayecto debe ser el mas corto posible a tierra y se debe evitar la formación de bucles.

Son bajadas naturales instalaciones metálicas y armaduras metálicas, si se trata de hormigón hay que tener cuidado con las solicitaciones debidas a la corriente de descarga, y la conexión del sistema de protección (para ser consideradas conductores las barras del hormigón en un 50% deben ser interconexiones con barras soldadas o unidas en forma segura – solapadas 20 veces el diámetro)

Paredes de chapa, o revestimientos, de 0.5 mm de espesor y con continuidad eléctrica vertical (separación menos de 1 mm, y solape de 100 cm2)

Las armaduras metálicas del hormigón armado interconectadas cubren las exigencias de los conductores anulares que se pretenden para la estructura.

Las bajadas no naturales deben tener una unión de prueba para control.

Sistema de puesta a tierra

Deben drenar al suelo la corriente de descarga atmosférica sin provocar sobretensiones peligrosas.

Aunque se recomienda un valor bajo de resistencia, disposición y dimensiones de los electrodos son más importantes para el control de las sobretensiones a tierra.

Los cimientos son una toma de tierra eficaz, pero el planteo de aprovecharlos debe ser previo a la construcción, se comparte información de tipo de suelo, de sus características, resistividad en particular, y se debe dialogar con los proyectistas de la estructura.

El sistema de puesta a tierra de protección contra el rayo también puede ofrecer protección de instalaciones eléctricas de baja tensión e instalaciones de comunicaciones, se considera hoy que la mejor solución es un único sistema integrado en la estructura y previsto a todos los fines.

Los cimientos de las fundaciones son un electrodo de tierra natural que se complementa con conductores anulares, radiales y verticales (o inclinados).

La longitud del electrodo de tierra mínima es de 5 metros, pero para máximo nivel de protección y resistividad mayor de 500 ohm/m debe ser

.l1 = rho * 0.02857 + 9.2857

Cuando la resistividad del terreno se reduce con la profundidad resultan convenientes los electrodos profundos.

La disposición de los sistemas de tierra puede ser:

electrodos verticales (o radiales) en cada bajada con un mínimo de dos electrodos de tierra, y de longitud mínima l1 si radiales o 0.5 * l1 si verticales, o una resistencia menor de 10 ohm.
Para resistividades mayores o estructuras grandes es preferible

electrodo de tierra de cimientos o conductor anular cuyo radio geométrico debe ser mayor que l1. Si el valor del radio es menor de l1 se deben añadir conductores radiales (l1 – r) o verticales 0.5 * (l1 – r).
El electrodo anular debe estar enterrado 05 m y a 1 m de los muros como mínimo.
Conductores

Las dimensiones mínimas de los conductores dependen del material y función, en mm2 son las de la tabla:

Conexión equipotencial con corriente de descarga

Material

captor

bajada

tierra

substancial

insignificante

Cobre o acero cobre

35

16

50

16

6

Aluminio

70

25

25

10

Hierro

50

50

80

50

16

Conexión equipotencial con corriente de descarga

Material

captor

bajada

tierra

substancial

insignificante

Cobre o acero cobre

35

16

50

16

6

Aluminio

70

25

25

10

Hierro

50

50

80

50

16

Inducción electromagnética – sistema de protección interno

La descarga atmosférica se produce, alcanza los elementos captores, se propaga por las bajadas y se disipa en el terreno a través de la puesta a tierra, mientras ocurre este fenómeno se presenta inducción electromagnética entre las corrientes en las bajadas y los circuitos dentro de la estructura.

Puede ser entonces necesario un sistema de protección interno con dispositivos para reducir el efecto electromagnético dentro de los espacios.

También se presentan elevaciones de potencial, de la red de tierra respecto de tierras alejadas y a lo largo de las bajadas. Estos fenómenos que afectan el sistema externo son causa de que en el interior de la estructura se puedan presentar fenómenos que exigen una protección del sistema interno.

Los riesgos se minimizan si se logran mantener condiciones equipotenciales en el espacio que se quiere proteger.

Barras de conexión equipotencial

Una o más barras de conexión equipotencial se conectan al sistema de tierra, cuando la estructura es alta las barras equipotenciales se conectan también a los conductores anulares horizontales que interconectan las bajadas. Los conductores de conexión equipotencial se conectan a estas barras.

Cuando las uniones naturales no aseguran la continuidad eléctrica, es necesaria la conexión equipotencial, si no se pueden colocar conductores de conexión se pondrán dispositivos limitadores de sobretension.

Las líneas de alimentación eléctricas y las de comunicaciones, los elementos conductores externos (cañerías), en el punto de penetración a la estructura deben tener conexiones equipotenciales o limitadores de sobretension (- ray-08-).

Distancias

Entre un sistema de protección y las instalaciones metálicas debe haber distancia para que no se presenten chispas peligrosas (- ray-06-), la distancia de seguridad:

.d = ki * kc * (1 / km) * l

donde l es la longitud de la bajada (parte), ki es el coeficiente entre 0.1 y 0.05 según el nivel de protección, kc es el coeficiente de con-ción, 1 para lazo plano, bajada única, 0.66 para lazo plano, y varias bajadas coplanares, 0.44 para una con-ción tridimensional, y km depende del material separador 1 para aire, 0,5 para material sólido.

Para un caso típico (- ray-01-), dentro del piso de un edificio, l = 3 m

.d = 0.1 * 1 * (1 / 1) * 3 = 0.3 m

otro caso típico son los bucles en las bajadas (- ray-01-), estos se caracterizan por dos dimensiones l longitud del bucle, y s separación entre elementos paralelos (abarazan un material sólido, si no, no tendrían razón de ser) y para esta situación un valor típico es:

.s = 0.1 * (1 / 0.5) * l = 0.2 * l

si l = 1 m resulta s = 0.2 m

Control y mantenimiento

Estas instalaciones deben ser controladas y mantenidas para conservar sus características y brindar la seguridad esperada.

Efectos del rayo

Las consecuencias de un rayo pueden ser de distinto tipo:

incendios
daños mecánicos
lesiones a personas o animales
daños a equipos electivos y electrónicos
pánico
explosiones, emisiones de sustancias peligrosas.
Los efectos son particularmente riesgosos para:

sistemas de computación
sistemas de control y comunicaciones
sistemas de suministro eléctrico
Hoy los equipos electrónicos sensibles están tan difundidos, que no puede dudarse de la necesidad de una buena protección.

Las estructuras a proteger se clasifican:

comunes, de propósitos generales
especiales, con peligros circunscriptos a ellas
peligrosas para los alrededores
peligrosas para ambientes sociales y físicos
estructuras elevadas, en construcción, provisorias
Los efectos pueden tener un radio de acción importante, la perdida de un servicio publico es medida por el tiempo durante el cual se pierde el servicio por el numero de usuarios afectados por año.

Nivel isoceraunico

Los mapas isoceraunicos (- usmap-) indican el numero de días al año en que se oyen truenos (al menos uno), esta fue la primera forma de registrar las tormentas eléctricas (- isocera.gif).

La forma actual es evaluar el numero de descargas a tierra por km2 y por año, se hacen mapas de densidad de descargas(- denscera.gif).

Cuando solo se dispone del nivel isoceraunico, se evalúa la densidad de descargas con la siguiente formula:

Ng = 0.04 * Td ^ 1.25

Nivel de protección

Según sea la importancia de la estructura se establece un nivel de protección, el riesgo de daños debe estar por debajo de un nivel tolerable.

La frecuencia anual esperada de rayos sobre la estructura es Nd

Nd = Ng * Ae * 1e-6

Siendo Ng el numero de descargas por km2 año, Ae la superficie colectora equivalente a la estructura en m2 que cubre la estructura y cierta área alrededor del orden de 3 * h (h altura) de distancia

Paras una punta de altura h se tiene

Ae = Pi * (3 * h) ^ 2

La pendiente del terreno, topografía reduce o aumenta esta área, otras estructuras próximas influyen también en el área reduciéndola.

Los efectos resultantes de los rayos clasifican la estructura, Nc es el valor aceptable de la frecuencia anula de rayos que pueden causar daños

Nc = 5.5 * 1e-3 / (C2 * C3 * C4 * C5)

Donde C2 depende del tipo de construcción

Techo o tejado

Estructura

metálico

Común

Inflamable

Metálica

0.5

1

2

Común

1

1

2.5

inflamable

2

2.5

3

C3 contenido (valor, inflamable o explosivo)

valor

Inflamable

Sin

0.5

No

Común

1

Normalmente

Gran

2

Particularmente

excepcional

3

Muy o explosivo

 

C4 ocupación

No ocupada

0.5

Normalmente ocupada

1

Evacuación difícil, riesgo de pánico

3

 

C5 consecuencias para el entorno

Continuidad de servicio

Consecuencias para el entorno

Sin necesidad

1

Alguna

Con necesidad

5

Algunas

10

Varias

 

Con estos datos Nc queda comprendido entre 4.0 e-2 y 2 .0 e-5

La comparación entre Nc y Nd permite decidir si el sistema de protección de rayos es necesario, y si Nd > Nc se debe prever un sistema cuya eficiencia sea:

Ec >= 1 – Nc / Nd

La eficiencia necesaria fija el nivel de protección que se debe alcanzar

Niveles de protección

Eficiencia (entre)

Nd / Nc

IV

0 – 0.8

0 a 5

III

0.8 – 0.9

5 a 10

II

0.9 – 0,95

10 a 20

I

0.95 – 0.98

20 a 50

I y medidas adicionales

0.98 y mas

50 y mas

 

Veamos un ejemplo, se trata de un faro de 60 m de altura sobre un médano alto, en la costa de la provincia de Buenos Aires (faro Querandi)

.r = 3 * 60 m = 180 m

.s = Pi * 180^2m2 = 0.11 km2

.Ae = 2 * s = 0.22 km2

el factor 2 tiene en cuenta la colina (duna)

Ng = 2.5 a 3.5 descargas por k2 año

Nd = 3 * 0.22 = 0.66 descargas por año

Periodo de recurrencia = 1 / 0.66 = 1.5 años

Es decir que se tendrán 3 descargas alcanzaran el faro cada dos años, esto muestra la importancia de la instalación de protección.

Evaluemos Nc, con C2 = 1, C3 = 1, C4 = 1, C5 = 5 resulta

Nc = 5.5 / 5 *1e-3 aproximadamente 1 e-3

La eficiencia debe ser Ec = 1 – 1.5 e-3 = 0.9985

Que evidencia aun más la importancia de la protección

Otro ejemplo puede ser de un edificio de 30 metros de altura (- ray-07-) y de 10 * 20 m de superficie, en la ciudad de Buenos Aires, para poner en evidencia distintas exigencias

.r = 3 * 30 m =190 m

.Ae = 10 * 20 + 2 * (10 + 20) * 90 + Pi * 90^2 m2 = 0.031 km2

Ng = 5 descargas por k2 año

Nd = 5 * 0.031 = 0.15 descargas por año

Periodo de recurrencia = 1 / 0.15 = 7 años

Es decir que 1 descarga alcanzara el edificio cada 7 años, suponiendo que el edificio esta aislado (solo sin otros cerca)

Evaluemos Nc, con C2 = 1, C3 = 1, C4 = 1, C5 = 1 resulta

Nc = 5.5 *1e-3

La eficiencia debe ser Ec = 1 – 5.5 e-3 / 0.15 = 0.963 que corresponde a categoría I (sin medidas adicionales)

Parámetros del rayo

Los niveles de protección fijan los parámetros del rayo y su probabilidad de ocurrencia, estos datos fueron extraídos como ejemplo de las normas, en las que se encuentran mas valores de interés

I

II

III y IV

Cresta

200

7 %

150

11%

100

20%

KA

Carga total

300

7%

225

11%

150

25%

C

Carga impulso

100

10%

75

13%

50

22%

C

Energía

10000

8%

5600

13%

2500

24%

KJ/micros

Pendiente

200

1%

150

2%

100

5%

KA/micros

 

Para completar recordemos que el 10% de los rayos son positivos y 90% negativos.

Pararrayos

Los daños causados a los equipos eléctricos y de telecomunicaciones de origen atmosférico, son debidos a descargas locales de rayos, las descargas directas en red y edificios por fortuna se consideran raras.