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REPÚBLICA BOLIVARIANA DE
VENEZUELA
INSTITUTO
UNIVERSITARIO POLITÉCNICO
“SANTIAGO MARIÑO”
EXTENSIÓN MATURIN
Profesor: Alumno:
Cristóbal Espinoza Victor Figueredo 25612728
Carrera 43
Métodos
para diseñar
un sistema
de
protección
INDICE.
- Introducción ……………………………………………………………………………………………… ……… (3)
- Cuáles son Las capaz atmosféricas
- Cómo Ocurre la Ionización de las nubes
- Como es la Formación del rayo
- ¿Efectos producidos por la caída de un rayo?
- ¿Qué es una Descargas atmosférica?
- ¿Qué es un sistema de puesta a tierra?
- Qué es un Sistemas de parrayos
seguridad que forman parte de las instalaciones eléctricas y que consisten en conducir eventuales desvíos de la corriente hacia la tierra impidiendo que el usuario entre en contacto con la electricidad este tiene por nombre Puesta a tierra.
Cuyo principio de funcionamiento principal se basa en limitar la tensión que, con respecto a tierra, puedan presentar, en un momento dado, las masas metálicas, asegurar la actuación de las protecciones y eliminar o disminuir el riesgo que supone una avería en los materiales eléctricos utilizados.
En este trabajo estudiaremos e investigaremos los diferentes métodos para diseñar un Sistema de protección contra descargas atmosféricas.
1). ¿Cuáles son Las capaz atmosféricas? En función a la altitud son las siguientes 5 a definir, pero la más importante es la Troposfera porque en ella es donde empieza el fenómeno a Estudiar:
Exosfera Es la capa de la atmósfera de un planeta o satélite en la que los gases poco a poco se dispersan hasta que la composición es similar a la del espacio exterior.
Termosfera
La termosfera es la cuarta capa de la atmósfera de la Tierra, Los trasbordadores espaciales vuelan en
esta capa.
Mesosfera La mesosfera es la tercera capa de la atmósfera de la Tierra. La temperatura disminuye a medida que se sube
Estratosfera La estratosfera es la segunda capa de la atmósfera de la Tierra. A medida que se sube, la temperatura en la estratosfera aumenta. Muchos aeroplanos vuelan en la estratosfera porque es muy estable.
Troposfera Capa de la atmósfera terrestre que está en contacto con la superficie de la Tierra y se extiende hasta una altitud de unos 10 km aproximadamente; en ella se desarrollan todos los procesos meteorológicos y climáticos. que influyen en los seres vivos, como los vientos, la lluvia y la nieve. Además, concentra la mayor parte del oxígeno y del vapor de agua. sin ella, las diferencias térmicas entre el día y la noche serían tan grandes que no podríamos sobrevivir. Es de vital importancia para los seres vivos. La troposfera es la capa más delgada del conjunto de las capas de la atmósfera
Anexos:
2). ¿Cómo Ocurre la Ionización de las nubes (Carga)?
Las nubes son gotas de agua sobre polvo atmosférico y dependiendo de algunos factores, las gotas pueden convertirse en lluvia, granizo o nieve. Son un aerosol formado por agua evaporada
3). ¿Como es la Formación del rayo (Descarga)?
El rayo es una descarga electrostática natural producida lógicamente tras una tormenta eléctrica. La descarga del rayo va acompañada siempre por un fenómeno luminoso que es el relámpago, que está causado por el paso de corriente eléctrica que ioniza las partículas del aire y por un fenómeno sonoro que es el trueno, desarrollado por la onda de choque.
Durante una tormenta eléctrica, la superficie de la Tierra tiene carga positiva. Debido a que las cargas opuestas se atraen, la carga negativa en la parte inferior de la nube de tormenta quiere enlazarse con la carga positiva de la superficie de la Tierra. Esta consiste básicamente en cristales de hielo (carga positiva), y los granizos tienen (carga negativa). Una corriente ascendente arrastra los cristales de hielo hacia la parte superior de la tormenta. Mientras, el granizo con una fuerte carga negativa es forzado hacia la parte inferior de la tormenta por una corriente descendente. De esta manera, las cargas positivas y negativas de la nube son separadas en dos niveles: la carga positiva en la parte superior y la negativa en la inferior.
Cuando es lo suficientemente grande la carga negativa, en la nube un flujo de partículas negativas comienza a acercarse a Tierra. La carga positiva de la Tierra es atraída por este trillo, y un flujo de cargas positivas se mueve en el aire. Cuando el trillo y las cargas positivas de la Tierra se encuentran, una fuerte corriente eléctrica transporta cargas positivas hasta la nube. Esta corriente eléctrica es conocida como descarga inversa y los humanos pueden verlas como rayos. La diferencia de potencial entre la zona superior de la nube y la tierra, puede ser tan elevada que puede llegar a los 10.000 voltios.
Alcanzados esos 10.000 voltios el aire, que normalmente es aislante, deja pasar el exceso de carga negativa, produciéndose el fenómeno del rayo o el relámpago. Anexos:
Anexos:
4). ¿Efectos producidos por la caída de un rayo?
Se divide en 2 categorías: caída directa o indirecta.
La caída directa es mas peligrosa que la indirecta, pero igual esta trae consecuencia
Los efectos directos de un rayo son:
Efectos eléctricos
destrucción de equipos. Elevación del potencial de tierra y generación de sobretensiones que pueden dañar los equipos conectados a la red eléctrica.
Efectos electrodinámicos
daños en edificios. Deformaciones y roturas en la estructura por las fuerzas generadas por el elevado campo magnético que se produce.
Efectos térmicos
incendios. La disipación de calor por efecto Joule puede llegar a provocar incendios.
Efectos sobre las personas y animales
El paso de una corriente de una cierta intensidad durante un corto plazo de tiempo es
suficiente para provocar riesgo de electrocución por paro cardíaco o respiratorio. A esto se
añaden los peligros de quemaduras.
Efectos de inducción
dentro de un campo electromagnético variable, todo conductor sufre el paso de corrientes
inducidas. Si estos conductores llegan a equipos electrónicos o informáticos pueden llegar
a producir daños irreversibles. Todos estos efectos tienen como consecuencia importantes pérdidas económicas debidas a los daños en los edificios y equipos por impacto directo o por incendios causados por una descarga. También puede tener costes muy elevados la interrupción de servicio, la parada de línea en procesos de fabricación y el arranque y
Las corrientes de tierra
La corriente transitoria de tierra es el resultado directo del proceso de neutralización que sigue a un impacto de rayo. El proceso de neutralización, es consumado por el movimiento de la carga a lo largo o cerca de la superficie de la tierra, desde el punto donde se induce la carga, hasta el punto donde termina el rayo. Cualquier conductor enterrado o cercano a esa carga, proveerá un camino más conductivo desde el punto donde se inicia, al punto donde termina el rayo.
Esto induce un voltaje en relación con la carga, que se maneja en esos conductores, lo cual otra vez está relacionado con la cercanía a donde el rayo impactó. A este voltaje inducido se le llama "corriente transitoria de tierra" y aparece en alambres conductores, tuberías y otras formas de conductores. Puede causar arqueos a través de la tierra a tuberías de gas adyacentes, cables o sistemas de tierra. La corriente de sobrecarga, puede correr por la tierra paralelo al sistema de tierras electrónico existente, lo cual originará una distribución de elevación de potencial de tierra no uniforme en el sistema de tierra.
El sobrevoltaje transitorio
Se produce como consecuencia de los anteriores y pueden causar graves daños en los equipos o sistemas si no están convenientemente protegidos. La carga electrostática (y consecuentes arcos secundarios) es lo más común.
5). ¿Qué es una Descargas atmosférica?
Es como un corto circuito entre una nube y la tierra, un fenómeno de la naturaleza imprevisible o aleatorio que ocurre cuando la energía acumulada en una nube alcanza un valor crítico y rompe la rigidez dieléctrica del aire convirtiéndose en una especie de corto circuito que podemos llamar Rayo o Descargas Atmosféricas. El rayo suele seguir un camino sinuoso hasta llegar al suelo, buscando siempre la mínima resistencia. El vapor de agua en la atmósfera viene entonces a facilitar el tránsito de la descarga. Los más comunes, siendo el 90 % de los rayos detectados, son de una nube negativa hacia tierra.
Las descargas atmosféricas pueden causar grandes diferencias de potencial en sistemas eléctricos distribuidos fuera de edificios o de estructuras protegidas. A consecuencia de ello, pueden circular grandes corrientes en las canalizaciones metálicas, y entre conductores que conectan dos zonas
aisladas. Pero, aún sin la descarga, una nube cargada electrostáticamente crea diferencias de potencial en la tierra directamente debajo de ella. Los grandes centros urbanos son las principales áreas afectadas, ya que estudios indican que la contaminación atmosférica y las islas de calor contribuyen a la ocurrencia de rayos.
Felizmente, estos eventos son estudiados desde hace mucho tiempo y las medidas de prevención están en un estado bien avanzado. La instalación de un pararrayos, técnicamente llamado Sistema de Protección contra Descargas Atmosféricas (SPDA), es el medio más adecuado de proteger una edificación y las personas que estén en su interior. Los sistemas de protección contra descargas atmosféricas (SPDA), son fundamentales para la seguridad estructural de las edificaciones y hogares, actuando también indirectamente en la protección de las personas
Anexos:
6). ¿Qué es un Sistema puesta a tierra?
Es la instalación de cables de protección que va desde cada uno de los enchufes (a los que se conecta aparatos eléctricos con partes metálicas, como por ejemplo la lavadora) de la instalación, hasta la tierra (el terreno) con el fin de que, si hay una corriente de fuga o un diferencial de potencial peligrosa, en lugar de quedarse en la parte metálica del aparato conectado este permita el paso a tierra de las corrientes de defecto o la de descarga de origen atmosférico. Es considerado como la espina dorsal del sistema de seguridad eléctrica. Está compuesto esencialmente de unos electrodos (de pica o de varilla, placas o conductores en íntimo contacto con el terreno)
Las finalidades principales de una puesta a tierra son:
- Proporcionar Seguridad a las Personas. Esto previniendo el paso de corriente al momento de un desperfecto y toques el equipo, sin tierra el equipo descargara su energía sobre ti.
- (^) limitar la tensión con alas masas metálicas respecto a tierra.
- Menos impacto visual, al tener una instalación menos voluminosa el edificio protegido no resulta alterado estéticamente de forma importante. El sistema de pararrayos adecuado
Es importante el hecho de proteger y salvaguardar las vidas humanas, por lo que se recomienda contar con un sistema de protección contra tormentas eléctricas (rayos) que cumpla con los requerimientos de cálculo y diseño. Es importante por lo tanto considerar que solo existen dos tecnologías con sustento científico y certificación, teniendo cada una sus ventajas y desventajas, para lo cual deberá seleccionarse la más apropiada dependiendo de un estudio y valoración de riesgo del inmueble a proteger.
Ventajas de contar con un sistema de pararrayos Debido a que no se puede evitar ni controlar este fenómeno (descargas atmosféricas), pero si podemos protegernos de ellas, tanto las personas como los inmuebles y sus contenidos, a través de un sistema de pararrayos bien diseñado y calculado, lo que nos dará como
8). ¿Tipos de métodos de protección?
El modelo electro geométrico se desarrolló para poder determinar cuan efectivos son los apantallamientos frente a descargas atmosféricas, con esto se pretende que los equipos u objetos que se van a proteger sean menos atrapados por descargas atmosféricas.
los propios elementos apantalladores logrando asi la llamada distancia de descarga cuyo significado nos dice que es la longitud del último paso de la guía de un rayo, bajo la influencia de la tierra o de un terminal que lo atrae.
Existen tres tipos de métodos, los cuales son:
- Método de la esfera rodante (Apantallamiento).
- Método del cono.
- Método de superficie ionizante.
* Método Norteamericano o Método de las esferas Rodante *
El método consiste en Dejar rodar una esfera imaginaria de radio S sobre la superficie a proteger, el valor de S es el que corresponde a la corriente pico de diseño. La esfera se apoya para rodar sobre puntas, cables de guarda y cualquier otro objeto metálico aterrado.
Se describe así una superficie sobre la estructura a proteger que representa la zona de descarga para cualquier rayo de corriente pico igual a la de diseño. Considerando una esfera imaginaria de un determinado radio, el rayo tendrá una mayor probabilidad de tocar las superficies u objetos que se encuentren dentro de la esfera o “toquen” su superficie. Quedando protegida el área o volumen fuera de la misma. Se considerará como protegidos aquellos puntos que se encuentran en la zona definida por la superficie de la esfera y la superficie exterior de dicha estructura. Los puntos en que la esfera toca a las diferentes partes de la estructura y el suelo son susceptibles de ser alcanzadas por las descargas. para proteger una estructura contra un rayo de corriente pico I, también protege contra descargas de mayor magnitud, y deja zonas desprotegidas para descargas de menor magnitud a la de diseño. Esto se desprende de la dependencia del tamaño de la esfera que define la zona de descarga al valor de la corriente pico del rayo.
En Norteamérica, los equipos y estructuras Son clasificadas por clases en base a su necesidad de protección
Primera clase Requieren de poca o ninguna protección. El requisito es que verdaderamente estén conectados a tierra. Ejemplos de esta clase son: a) Todas las estructuras metálicas excepto tanques u otras estructuras que contengan materiales inflamables, Tanques de agua, silos y estructuras similares, construidas mayormente de metal.
*Segunda clase * Esta clase consiste de edificios con cubierta conductora y estructura no conductora, tal como edificios con cubierta metálica. Este tipo requiere de conductores para conectar la cubierta a electrodos en la tierra. *Tercera clase * Edificios con estructura metálica y cubierta no conductora. Este tipo requiere de terminales aéreas conectadas a la estructura y fuera de la cubierta para actuar como terminales pararrayos. Cuarta clase Estructuras no metálicas, que requieren una protección. Se incluyen en esta clase: Edificios de madera, piedra, ladrillo u otros materiales no conductores, sin elementos de refuerzo
La zona de protección tiene un alcance limitado, por lo tanto, puede que alguna parte de un equipo o estructura quede fuera de ella como lo muestra la figura de abajo.
*Método del cono *
Este método consiste en definir un cono alrededor del pararrayo, asumiendo que las estructuras y superficies que estén dentro de ese cono quedaran protegidas. Indica dos tipos de ángulos para estructuras menores a 7,6 m debe ser de 63 grados.
Este método es considerado como obsoleto y falto de basamento científico, en varios de los textos consultados se hace hincapié en esta afirmación y se invita a usar métodos electrogeométricos. En la figura de abajo podemos ver una zona de protección con ángulo de 45°
MÉTODO DE SUPERFICIES IONIZANTES
la superficie ionizante permite apreciar como todas las estructuras que se encuentran a la intemperie, están expuestas al impacto directo de descargas atmosféricas.
Es aplicable cualquier tipo estructura igual que las esferas rodantes se basa en una interpretación de la ecuación de la distancia de descarga planteada en el modelo electrogeométrico. Sobre todas las estructuras que se encuentran a la intemperie, se puede definir una superficie imaginaria denominada superficie ionizante, la misma contiene todos los posibles puntos desde los cuales se puede originar el último paso de avance de una descarga atmosférica de corriente pico I. El método es sencillo de aplicar en comparación con el de las esferas rodantes. La ventaja que presenta, es que permite utilizar el principio de superposición.
9). ¿Cuáles son los Estándares de Protección?
se ha debatido mucho sobre los métodos de protección, tanto así que en misma Europa permanecen los dos estándares de protección, el llamado Franklin/Faraday, que es el tradicional, y el de puntas de inicio ( early streamers en inglés). En EUA, el estándar aprobado por la asociación contra el fuego (NFPA) es el Franklin/Faraday y, se conoce como NFPA-780. El otro, no fue aceptado como parte del estándar, ya que se considera de efectividad igual que una punta del tipo Franklin.
Un diseño de RTA de SPDA hecho con el Método de Superficies Ionizantes, cumple con los requisitos establecidos en las normas internacionales sobre protección contra rayos [1][6][7], ya que se basa en los mismos principios que el Método de las Esferas Rodantes. Utiliza la misma ecuación de distancia de descarga. (5). Esto implica que el método propuesto puede ser usado sin necesidad de modificar la normativa internacional que rige esta materia. El método es sencillo de aplicar en comparación con el de las esferas rodantes. La ventaja que presenta, es que permite utilizar el principio de superposición a las SI de cada componente de la RTA del SPDA, además de que las formas geométricas de las SI de los elementos captadores son sencillas: cilindros y esferas. De esta forma se puede hacer un diseño paso a paso en el que la SI de la RTAP nueva, se obtiene de la SI de la RTAP anterior, al añadir la SI del nuevo elemento captador. De esta forma se pueden hacer diseños con la menor cantidad de elementos captadores, lo cual se traduce en un SPDA de menor costo. En el Método de Esferas Rodantes, la ZPRTA de un SPDA dado es una superficie compleja. Al agregar un nuevo elemento captador la ZPRTA tiene que ser construida de nuevo. El Método de Superficies Ionizantes se adapta muy bien para ser aplicado con ayuda de programas de diseño en 3D.
Conclusión.
La protección contra las descargas atmosféricas del patrimonio construido constituye una técnica de prevención de riesgos que aún no ha recibido la atención que merece. Muchos edificios no poseen protección alguna, y cuando sí la tienen no resulta apropiada o emplean tecnología “no convencional” no avalada por la comunidad científica mundial. tener un buen sistema de descarga a tierra para mantener buenos niveles de seguridad del personal junto con la operación y desempeño de los equipos, si no se cuenta con este sistema , al haber una descarga de tensiones puede provocar fallas en el aislamiento de los equipos, incendios , daños a la estructuras ,dañar los equipos conectados a la red eléctrica, electrocución por paro cardíaco o respiratorio y mucho más el propósito de aterrar los equipos es para que nada de esto pase y halla un área de trabajo segura. La protección contra rayos y sobretensiones es una inversión que siempre resulta rentable pues tiene como destino la protección de personas, del trabajo, de las instalaciones y los equipos. el propósito del trabajo es advertir sobre la importancia de la prevención ante este tipo de riesgos mediante la evaluación y la instalación de sistemas de protección contra rayos en edificios patrimoniales, analizando algunos casos particulares de nuestra ciudad. En el documento se describen los posibles efectos dañinos que las descargas atmosféricas pueden tener sobre el patrimonio construido, así como las medidas preventivas recomendables según la normativa internacional vigente y de aceptación a nivel mundial, elaborada por la Comisión Electrotécnica Internacional (IEC: International Electrotechnical Commission), norma IEC 62305 del año 2006.
