Pararrayos

PROTECCION CONTRAPROTECCION CONTRADESCARGAS ELECTRICASDESCARGAS ELECTRICAS

ATMOSFERICASATMOSFERICAS

ASPECTOS FISICOS DE LAS ASPECTOS FISICOS DE LAS DESCARGAS ELECTRICAS DESCARGAS ELECTRICAS

ATMOSFERICASATMOSFERICAS..

SE CONOCE QUE:SE CONOCE QUE:SE CONOCE QUE:SE CONOCE QUE:

la duración de una descarga varía entre 0.1 ms y 1 s

la descarga principal (o de retorno) es siempre hacia arriba

los rayos pueden ser simplemente lineales, arborescentes (ramificados) y excepcionalmente en forma de rosario

la descarga atmosférica es simple, múltiple, positiva o negativa

EL RAYO, FENOMENO NATURAL:EL RAYO, FENOMENO NATURAL:EL RAYO, FENOMENO NATURAL:EL RAYO, FENOMENO NATURAL:

INEVITABLEINEVITABLE

IMPREDECIBLEIMPREDECIBLE

FORTUITO (CASUAL) y por demás...FORTUITO (CASUAL) y por demás...

“ “CAPRICHOSO”CAPRICHOSO”

NIVEL CERAUNICO DE FRANCIANIVEL CERAUNICO DE FRANCIA

NIVEL CERAUNICO EE-UU NIVEL CERAUNICO EE-UU

NIVEL CERAUNICO MINAS

GERAIS BRASIL

NIVEL CERAUNICO MINAS

GERAIS BRASIL

ACTIVIDAD ELECTRICA MUNDIAL ACTIVIDAD ELECTRICA MUNDIAL

VARIACION DEL NIVEL CERAUNICO DE BRASIL EN

EL TIEMPO (1972-1990)

VARIACION DEL NIVEL CERAUNICO DE BRASIL EN

EL TIEMPO (1972-1990)

VARIACION DEL NIVEL CERAUNICO DE COLOMBIA (BOGOTA ) 1972- 1990VARIACION DEL NIVEL CERAUNICO DE COLOMBIA (BOGOTA ) 1972- 1990

VARIACION DE LA POLARIDAD DE LOS RAYOS CON LAS ZONAS

MEDIDAS EN COLOMBIA

VARIACION DE LA POLARIDAD DE LOS RAYOS CON LAS ZONAS

MEDIDAS EN COLOMBIA

EVALUACION DE RIESGOEVALUACION DE RIESGOEVALUACION DE RIESGOEVALUACION DE RIESGO

NECESIDADNECESIDAD

DE DE

PROTECCIONPROTECCION

SELECCION SELECCION ADECUADAADECUADA

DE MEDIDAS DE MEDIDAS

PARAPARA

PROTEGERNOSPROTEGERNOS

NORMAS:NORMAS:NORMAS:NORMAS:

IEC TR2 61662 (1995IEC TR2 61662 (1995--04):04): Evaluación del riesgo Evaluación del riesgo de dade dañño debido al rayoo debido al rayo

IEC 61662 amIEC 61662 am--1 (19961 (1996--05):05): Enmienda a la norma Enmienda a la norma No. 1 IEC 611662No. 1 IEC 611662

IEC TS 61662 (2000IEC TS 61662 (2000--05):05): Riesgo debido al rayoRiesgo debido al rayo

PROBABILIDAD PROBABILIDAD DE DE

OCURRENCIAOCURRENCIA

PROBABILIDAD PROBABILIDAD DE DE

OCURRENCIAOCURRENCIA

EN EL PLANETA:EN EL PLANETA: 2000-5000 tormentas / día

100 rayos impactan el suelo / s

2 billones descargas / año

promedio de 65 descargas / s

Se estima el promedio de ocurrencia de descargas

nube-tierra entre 10 - 15 / s

EFECTO EN EL SISTEMA ELECTRICO

En Cuba esa importancia es singular por dosaspectos:

• Número promedio anual de días tormentas(Td) : el Td mínimo es 40 (4.02 rayos/km2/ año),el máximo es 140 (19.2 rayos/km2/año) y elpromedio anual es 100 (12.7 rayos/km2/año).Estos valores se encuentran entre los más altosreportados en la región caribeña y en el ámbitointernacional.

El rayo y sus efectos ...

DENSIDAD DE DESCARGAS A TIERRA:DENSIDAD DE DESCARGAS A TIERRA:Ng Ng

Número promedio descargas a tierra Número promedio descargas a tierra [[ km km² / año² / año ] ]

DENSIDAD DE DESCARGAS A TIERRA:DENSIDAD DE DESCARGAS A TIERRA:Ng Ng

Número promedio descargas a tierra Número promedio descargas a tierra [[ km km² / año² / año ] ]

DIAS CON TORMENTAS:DIAS CON TORMENTAS:

TdTd Número de días con tormentas Número de días con tormentas [[ año ] año ]

MAPA ISOCERAUNICOMAPA ISOCERAUNICO

Número de días / tormenta / anualNúmero de días / tormenta / anual (1979) (1979)

8080

100100 120120

bb Ng Ng = = aa Td [ Td [ km² / añokm² / año]] bb Ng Ng = = aa Td [ Td [ km² / añokm² / año]]

a = 0.04 a = 0.04 b = 1.25b = 1.25

NORMA NORMA IEC 61024-1-1 (1993-08):IEC 61024-1-1 (1993-08):

Protección de estructuras contra el rayoProtección de estructuras contra el rayoParte 1: Principios generalesParte 1: Principios generales

Sección 1: Guía A – Selección de los niveles Sección 1: Guía A – Selección de los niveles de protección para los sistemas de de protección para los sistemas de

protección contra el rayoprotección contra el rayo

RIESGO DE IMPACTO Y SELECCIÓN DEL NIVEL DE PROTECCION RIESGO DE IMPACTO Y SELECCIÓN DEL NIVEL DE PROTECCION

FRECUENCIA ESPERADA DE IMPACTOSFRECUENCIA ESPERADA DE IMPACTOS

( OTRO ENFOQUE)( OTRO ENFOQUE)

Donde:1,1 ----Factor de seguridad ligada a

la evaluación de impactos.Ng --- Densidad anual de impactos

de rayos en la región; (número de impactos/año.km2).

Ae --- Superficie de captura equivalente de la estructura aislada; (m2).

Ce --- Coeficiente relacionado con el entorno.

LA DENSIDAD DE IMPACTO DE RAYOS SOBRE EL TERRENO SE DETERMINA POR LA FORMULA:

LA DENSIDAD DE IMPACTO DE RAYOS SOBRE EL TERRENO SE DETERMINA POR LA FORMULA:

SUPERFICIE DE CAPTURA PARA INSTALACIONES DE BASE RECTANGULAR

SUPERFICIE DE CAPTURA PARA INSTALACIONES DE BASE RECTANGULAR

SUPERFICIE DE CAPTURA PARA INSTALACIONES QUE TENGAN UNA PARTE PROMINENTE

SUPERFICIE DE CAPTURA PARA INSTALACIONES QUE TENGAN UNA PARTE PROMINENTE

CALCULO DEL COHEFICIENTE Ce A TRAVES DEL CUAL SE TIENE EN CUENTA LA TOPOGRAFIA DEL LUGAR Y LOS OBJETOS A UNA DISTANCIA MENOR QUE 3H DE LA ESTRUCTURA

CALCULO DEL COHEFICIENTE Ce A TRAVES DEL CUAL SE TIENE EN CUENTA LA TOPOGRAFIA DEL LUGAR Y LOS OBJETOS A UNA DISTANCIA MENOR QUE 3H DE LA ESTRUCTURA

El tipo de construcción.El contenido de la estructura.La ocupación de la estructura.La consecuencia sobre el

entorno.

FRECUENCIA ACEPTABLE DE IMPACTOS DE RAYO SOBRE UNA ESTRUCTURAFRECUENCIA ACEPTABLE DE IMPACTOS DE RAYO SOBRE UNA ESTRUCTURA

C C TOMA EN CUENTA LOS 4 FACTORES ANTES VISTOSTOMA EN CUENTA LOS 4 FACTORES ANTES VISTOS Y Y CADA UNO DE ELLOS ESTA REPRESENTADO POR C1, C2, C3 Y CADA UNO DE ELLOS ESTA REPRESENTADO POR C1, C2, C3 Y C4C4

FACTOR C1FACTOR C1

FACTOR C2

FACTOR C3FACTOR C3

FACTOR C4

SELECCIÓN DEL NIVEL DE PROTECCIÓN ANTES DE PASAR A DETERMINAR EL NIVEL DE

PROTECCIÓN ES NECESARIO EVALUAR SI SE REQUIERE O NO IMPLEMENTAR UN SISTEMA DE PROTECCIÓN CONTRA LAS DESCARGAS ATMOSFÉRICAS.

PARA LA SELECCIÓN FINAL DEL NIVEL DE PROTECCIÓN ES NECESARIO DETERMINAR EL VALOR DE EFICIENCIA DEL SISTEMA REQUERIDO (E..valor de eficiencia del sistema)

PARA LA SELECCIÓN FINAL DEL NIVEL DE PROTECCIÓN ES NECESARIO DETERMINAR EL VALOR DE EFICIENCIA DEL SISTEMA REQUERIDO (E..valor de eficiencia del sistema)

NIVEL DE PROTECCION REQUERIDO EN FUNCION DEL VALOR DE “ E”NIVEL DE PROTECCION REQUERIDO EN FUNCION DEL VALOR DE “ E”

EL FENOMENOEL FENOMENOY SUY SU

INTENSIDADINTENSIDAD

EL FENOMENOEL FENOMENOY SUY SU

INTENSIDADINTENSIDAD

Características:Características:

Q Q 100 C100 C 15 km15 km

EEint int 100 kv/m100 kv/m

300 000 Ton 300 000 Ton aguaagua

2 km2 km 10 km10 km

SUELOSUELO

++ ++++

++++

-- -- ---------- -- ----

-- ----

++++ ++ ++

-- -- ---- -- ------ -- -- -- -- ---- -- -- -- -- -- -- -- -- --

-- -- -- -- -- -- -- -- ---- -- -- -- -- -- -- -- -- --

++ ++ ++ ++

++ ++ ++ ++ ++ ++ ++ ++

BASE DE LA NUBE

TERRENO

70µs

40ms

2ms

30ms

1ms

LÍDERDARDO

LÍDERDARDO

DESCARGARETORNO

2 a 3 km

DESCARGARETORNO

TIEMPO

20 ms

TOTAL DE DESCARGAS

100 %DESCARGA

NUBE – NUBE

> 50 %

DESCARGA NUBE – TIERRA

30 % al 40 %

DESCARGA NUBE – AIRE

< 10 %

Ascendente

“+”

< 5 %

Descend.

“+”

< 10 %

Ascendente

“-”

< 5 %

Descend.

“-”

80 % a 90 %

PARAMETROSDE LA

CORRIENTEDE DESCARGA

PARAMETROSDE LA

CORRIENTEDE DESCARGA

Distribución IEC de las amplitudes de Distribución IEC de las amplitudes de corrientecorriente

Distribución IEC de las amplitudes de Distribución IEC de las amplitudes de corrientecorriente

% [ i % [ i II ] ]

II [ kA ] [ kA ]33 2020 200200

9898

8080

11

NORMA NORMA IEC 61312IEC 61312-1 (1995 – 02):-1 (1995 – 02):NORMA NORMA IEC 61312IEC 61312-1 (1995 – 02):-1 (1995 – 02):

Protección contra el impulso Protección contra el impulso electromagnético del rayo (IER)electromagnético del rayo (IER)

Parte 1: Principios generalesParte 1: Principios generales

EFECTOS DE LAS

DESCARGAS

EFECTOS DE LAS

DESCARGAS

ESPECTACULAR, ESPECTACULAR, PERO...PERO...

Parámetros de la corriente NIVEL DE PROTECCION

I II III - IV

Valor pico de corriente I (kA) 200 150 100

Carga total QTOTAL (C) 300 225 150

Carga de impulso QIMPULSO (C) 100 75 50

Energía específica W/R (kJ/) 10 000 5 600 2 500

Avance promedio di / dt (kA/s) 200 150 100

Se asume que el 10% son impactos “+” y el 90% “-”

EFECTOS:EFECTOS:EFECTOS:EFECTOS:

Térmicos (desprendimiento de calor)Térmicos (desprendimiento de calor) Electrodinámicos (fuerza)Electrodinámicos (fuerza) Electromagnéticos (inducción)Electromagnéticos (inducción) Electroquímicos (corrosión, reacc. galvánicas)Electroquímicos (corrosión, reacc. galvánicas) Acústicos (trueno, ondas de presión)Acústicos (trueno, ondas de presión) Fisiológicos (acción / centros nerviosos, muerte)Fisiológicos (acción / centros nerviosos, muerte)

EFECTOEFECTO DE CONTORNO ENTRE UN CONDUCTOR DEL DE CONTORNO ENTRE UN CONDUCTOR DEL RAYO Y UNA MASA METALICA ADYACENTERAYO Y UNA MASA METALICA ADYACENTE

EFECTO DE CONTORNO ENTRE MASAS METALICAS EXPUESTAS A POTENCIALES DIFERENTES POR ELEVACION DEL GRADIENTE DE POTENCIAL

EFECTO DE CONTORNO ENTRE MASAS METALICAS EXPUESTAS A POTENCIALES DIFERENTES POR ELEVACION DEL GRADIENTE DE POTENCIAL

COMO FRECUENTEMENTE LAS DESCARGAS ELECTRICAS ATMOSFERICAS AFECTAN A LAS PERSONAS

COMO FRECUENTEMENTE LAS DESCARGAS ELECTRICAS ATMOSFERICAS AFECTAN A LAS PERSONAS

COMO FRECUENTEMENTE LAS DESCARGAS ELECTRICAS ATMOSFERICAS AFECTAN A LAS PERSONAS

COMO FRECUENTEMENTE LAS DESCARGAS ELECTRICAS ATMOSFERICAS AFECTAN A LAS PERSONAS

Modelo electrogeométricoModelo electrogeométricoModelo electrogeométricoModelo electrogeométrico

Nivel de

Protección

Ancho de la malla

h (m)

R (m)

II

IIII

IIIIII

IVIV

2020 3030 4545 6060

2020

3030

4545

6060

2525

3535

4545

5555

(o) (o) (o) (o)

2525

3535

4545 3535

55

1010

1010

2020

* *

*

*

*

*

2525

2525

* Solo se aplica la esfera rodante y la malla

Ubicación del pararrayos de acuerdo al nivel de protección

Tabla 1 (IEC 61024-1)

Nivel de Esfera Angulo de protección Dimensiones Efectividadprotección Iso- ( ) de malla

geométricar (m)

I 20 5 x 5 98 %

II 30 10 x 10 95 %

III 45 15 x 15 90 %

IV 60 20 x 20 80 %

Determinación del dispositivo captador ( MALLA) en función del nivel de protección

S1151 1151.ppt / 23.01.98 / CG

0 10 20 30 40 50 60h(m)

) 80

70

60

50

40

30

20

10

0

I II III IV

h: Altura del dispostivo captador sobre el nivel del suelo

r: Radio de la esfera isogeométrica :Angulo de protección

Lit.: ENV 61024-1: 1995-01. 1 + 3

h

r

Espacio protegido

Dimensionado instalación captadora

1180.ppt / 02.02.98 / ESC

P. ej, canalón

Nivel de Nivel de DimensionesDimensionesprotección protección mallamalla

II 5 x 5

IIII 10 x 10

IIIIII 15 x 15

IVIV 20 x 20

ENV 61024-1 :Apartado 2.1.2, Tabla 3S1180

Volumen protegido por una malla captadora

1184.ppt / 23.01.98 / ESC

ENV 61024-1 : Anexo B

h

depende de la altura y del nivel de protección

Vista en planta

S1184

Soportes cubiertas planas Tipo FB

Soporte hormigónTipo FBArt. Nr.: 253 015

Soporte hormigónTipo FBArt. Nr.: 253 015

Conexión flexible

~ 1m

S1982 1982.ppt / 23.12.99 / OB

Latiguillo de empalmeArt. Nr.: 377 007Latiguillo de empalmeArt. Nr.: 377 007

Junta de dilatación

2293.ppt / 09.12.99 / OB2293_d

ESPACIO PROTEGIDO POR UNA PUNTA CAPTADORAEN FUNCIÓN DEL NIVEL DE PROTECCIÓN

(°)8070

605040

3020

100

0 10 20 30 40 50 60hh (m)

Nivel de Nivel de II IIII IIIIII IVIVprotecciónprotección

hh

El ángulo depende del nivel deprotección y de la altura de la punta

1189.ppt / 02.02.98 / ESC

ENV 61024-1 : Anexo B, Tabla 3S1189

Cobertura protección de una punta Franklin

1179.ppt / 02.02.98 / ESC

DIN V ENV 61024-1 (VDE V 0185 Teil 100) 1996-08: Abschnitt 2.1.2, Tabelle 3S1179

h

Puntas captadora para pequeñas instalacioneseléctricas en cubierta

Protección de ventilación mediantepunta Franklin. DIN VDE 0185 T1

Conexiónde ventilación a travésde vía de chispas. DIN VDE 0185 T1

Conexión ventilación directamente. ABB 8

S369/1 k:\pm-01\folien\powerpnt\369-1-c.ppt

45°

Equipamientos eléctricos en cubierta

S1535 1535.ppt / 03.11.96

Conexión a través devía de chispas

CPU PASCD

Línea de datos

Primera PlantaPrimera Planta

CubiertaCubierta

Planta BajaPlanta Baja

SotanoSotano

Conexión Directa

Puntas captadoras para equipos en cubierta

2293.ppt / 09.12.99 / OB2293_a

DERIVADORES O BAJANTES

DISTANCIA MEDIA DE LOS DERIVADORESEN FUNCIÓN DEL NIVEL DE PROTECCIÓN

1167.ppt / 27.01.98 / ESC

I 10

II 15

III 20

IV 25

UNE 21.185 y ENV 61024-1 : Tabla 5

Nivel de protección Nivel de protección distancia mediadistancia media

en metrosen metros

S1167

Instalación delsistema derivador

medianteconductor redondode 8 mm de con

posibilidad deinstalación externa

por fachada ointernor en

estructura dehormigón.

Derivadores o BajantesInstalación mediante conductor redondo

1188.ppt / 31.01.98 / ESC

DIN V ENV 61024-1 (VDE V 0185 Teil 100) 1996-08: Abschnitt 2.2.4

Caja seccionadora

S1188

Puntode

corte

1996.ppt / 14.12.99 / OBS1996

Detalles instalaciónSoporte derivador exterior DEHNsnap

Art. Nr.: 204 227+Art. Nr.: 276 007Art. Nr.: 204 227+Art. Nr.: 276 007

1990.ppt / 13.12.99 / OBS1990

Detalle instalaciónEstructura metálica del edificio a proteger

Art. Nr.: 455 000Art. Nr.: 455 000

Art. Nr.: 377 005Art. Nr.: 377 005

PARARRAYOS PARARRAYOS

ACTIVOS.ACTIVOS.

)L)hD2(hRp

RADIO DE PROTECCION DE UNRADIO DE PROTECCION DE UN

PARARRAYO DE CEBADOPARARRAYO DE CEBADO

D: Adquiere valores distintos para los

diferentes niveles de protección.

20m Nivel de protección I

45m Nivel de protección II

60m Nivel de protección III

PararrayoPararrayo

de cebadode cebado

satelite +satelite +

PRS-EC-SAC-SACPRS-EC-SAC-SAC

PREVECTRONPREVECTRON

SAINT- ELMSSAINT- ELMS