Protección contraProtección contraDescargas AtmosféricasDescargas Atmosféricas

y Puesta a Tierray Puesta a Tierra

Ing Juan Ramón García BishIng Juan Ramón García Bishjrgbish@hotmail.comjrgbish@hotmail.com

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Origen de las Descargas AtmosféricasProtección contra Descargas Atmosféricas

- Protección de Instalaciones - Protección de Personas - Protección de Equipos

Puesta a Tierra .

Origen de las DescargasOrigen de las Descargas

Mecanismo de generacion de las Descargas Atmosféricas

Diferentes tipos de DescargasParametros característicos de la Descarga

Ingredientes de una DescargaIngredientes de una Descarga

Aire inestableHumedadMecanismo disparador

(ejemplo: pasaje de un frente frio)

Mecanismo de GeneraciónMecanismo de Generación Aire humedo y caliente se eleva a regiones frias El vapor se condensa sobre partículas y forma la nube El aire frio es forzado a circular hacia abajo por la

formacion de la nube Se establecen corrientes verticales , ascendentes y

descendentes, que originan una separacion de cargas entre las regiones superior e inferior.

La acumulacion de electrones en capas inferiores crea una diferencia de potencial con las capas superiores.

Esos electrones también repelen a los electrones libres de la superficie terrestre creando así una diferencia de potencial entre la nube y la tierra.

Este proceso continúa hasta que se alcanza la ruptura dieléctrica entre los puntos de acumulacion de cargas.

Esquema de una TormentaEsquema de una Tormenta

Diferentes tipos de DescargaDiferentes tipos de Descarga

Descarga eléctrica dentro de la misma nube.Descarga eléctrica entre nubes.Descarga eléctrica entre nube y tierra

(estas son las que a nosotros nos preocupan)

Corriente de DescargaCorriente de Descarga

Zona A - Pulso de corriente Pico de hasta 260 KA dI/dt = 30.000 MA/seg

Zona B – Transición Zona C – Estabilización

Corriente de cientos de A Dona D – Repetición descarga

Típicamente 3 o 4 veces

Porcentaje de OcurrenciaPorcentaje de Ocurrencia

- 50% de los casos primer descarga supera 20 KA.- 2 % de los casos llega a superar los 140 KA.- Descargas posteriores son de menor intensidad- Repeticion de descarga 3 a 4 veces típico.

Parametros de una DescargaParametros de una Descarga

99 90 75 50 25 10 1 %

Numero de descargas 1 1 2 3 5 7 12Intervalo entre descargas 10 25 35 55 90 150 400 msegCorriente 1er descarga 5 12 20 30 50 80 130 KAPico descargas siguientes 3 6 10 15 20 30 40 KAPrimer descarga dI/dt 6 10 15 25 30 40 70 GA/sSiguientes descargas dI/dt

6 15 25 45 80 100 200 GA/s

Carga Total 1 3 6 15 40 70 200 CCorriente Continua Max. 30 50 80 100 150 200 400 ADuracion Total 50 100 250 400 600 900 1500 mseg

Porcentaje de eventos con caracteristicas superiores a las indicadas

Protección Contra DescargasProtección Contra Descargas

Elementos a Proteger - Instalaciones - Personas (vidas) - Equipos

Idea de Area ProtegidaCono de ProtecciónMétodo de la Esfera Rodante

Idea de Area ProtegidaIdea de Area Protegida

Las descargas atmosféricas “no pueden evitarse”. Ningún sistema de proteccion puede garantizar en

forma absoluta vidas, bienes ni estructuras. Todos los sistemas de protección tratan de controlar la

descarga buscando que se produzca sobre puntos definidos y garantizar su rapida disipacion a tierra.

Area protegida es el volumen que encierra a todos los elementos que gracias a la instalacion de un “captor” tienen una baja posibilidad de recibir una descarga.

Estrategias Protección EdificiosEstrategias Protección Edificios

Elementos de un sistema de proteccion tradicional : - Captores aereos determinan el punto de la descarga

- Cables y hasta la misma estructura (torre / edificio)

conducen la descarga hasta un sistema de disipación.

- Sistema de disipación :

Conjunto de jabalinas, anillos

y radiales que aseguran el

pasaje de la corriente de la

descarga hasta la tierra.

Cono de ProtecciónCono de Protección

- A = Cabeza del Captor- B = Plano de referencia- OC = Radio del area protegida- ht = altura del captor sobre el plano de ref.- alfa = angulo de protección

Ángulo de ProtecciónÁngulo de Protección

Nivel de Protección

h = 20 mt h = 30 mt h = 45 mt h = 60 mt

I 25 grados

II 35 grados 25 grados

III 45 grados 35 grados 25 grados

IV 55 grados 45 grados 35 grados 25 grados

Ejemplo de aplicaciónEjemplo de aplicación

1.- Captor de Asta2.- Volumen a Proteger3.- Plano de Referencia4.- Intersección conos de protección.5.- Separación de seguridad.

Proyeccion del volumen sobre el plano del piso

Método de la Esfera RodanteMétodo de la Esfera Rodante

Nivel de Protección

Radio de la Esfera

I 20 mts

II 30 mts

III 45 mts

IV 60 mts

Método de la Esfera RodanteMétodo de la Esfera Rodante

Método de la Esfera RodanteMétodo de la Esfera Rodante

Ejemplo PrácticoEjemplo Práctico

1.- Captores verticales2.- Captor en mastil3.- Captores laterales4.- Area protegida

Captores de DescargaCaptores de Descarga

Captores tradicionales (Tipo Franklin)

Captores de DescargaCaptores de DescargaCaptores tipo EMS

(Early Streamer Emitter) Favorecen la creación de

una descarga ascendente

Conductores de DescargaConductores de DescargaPor razones de seguridad se requieren dos

conductores como mínimoEl recorrido del conductor hasta el sistema de

descarga a tierra debe ser lo mas corto posible.Deben evitarse las curvas en angulos menores

a 90 grados o radios de curvatura inferiores a 20 centimetros..

La inductancia es la característica predominante en los conductores de descarga.

Espaciamiento Conductores Espaciamiento Conductores de Descarga de Descarga

Espaciamiento maximo

Nivel Prot. Distancia

I 10 mts

II 15 mts

III 20 mts

IV 25 mts

Espaciamiento tipico 10 a 15 metros

Caida de TensiónCaida de Tensión

Inductancia de un conductor circular recto aproximadamente igual a 1 microHy/mt.

Caida de tensión E = I.R + L dI/dtCaso típico :

Bajada = 10 mts de conductor AWG6 R = 0.13 ohms y L = 10 microhenries I = 20000 A y dI/dt = 20 GA/seg

Con los valores anteriores resulta : E = 2600 V + 200000 V = 202600 V

Sistema de Descarga a TierraSistema de Descarga a Tierra

Su efectividad depende de : - Tipo y tamaño del electrodo utilizado. - Características del suelo (resistividad)

La resistividad del suelo depende de : - Cantidad de iones libres (sales) - Temperatura (congelamiento / sequía ) - Humedad (muy vinculada con la anterior)

Medición Resistividad Medición Resistividad del suelodel suelo

Método de los cuatro puntos

- A = Separación sondas- B = Largo de sondas- B menor que A/20- D =profund. medición- Separaciones iguales- Resistividad = 6.28 A.R

Resistencia a TierraResistencia a Tierra

Medición Resistencia a TierraMedición Resistencia a Tierra

- Sonda C2 se inserta alejada del electrodo bajo prueba.- Sonda P2 se inserta sobre una línea imaginaria entre el electrodo y C2 a 62% de esa distancia.- Se hace circular corriente a través del suelo (entre electrodo y C2)- Se mide la diferencia de potencial entre electrodo y P2.-Se calcula la resistencia aplicando ley de ohm.

Mejora Resistencia a TierraMejora Resistencia a Tierra

Protección de las PersonasProtección de las Personas

La descarga eléctrica en su camino por los conductores de descarga y su posterior disipacion en la tierra genera un gradiente de tension de magnitud considerable.

Una persona parada sobre la tierra puede sufrir un grave daño si se crea una diferencia de potencial perjudicial entre partes de su cuerpo

Una persona parada cerca de un conductor de descarga puede sufrir una descarga lateral

Descarga LateralDescarga Lateral

Efectos Corriente Electrica Efectos Corriente Electrica en Cuerpo Humano en Cuerpo Humano

Umbral de Percepción : Minima corriente que puede sentirse. Depende de factores fisiológicos y area de contacto. Tipicamente se toma 0.5 mA.

Umbral de desprendimiento : Valor máximo de corriente que permite desprenderse del electrodo. Valor normal 10 mA.

Umbral de fibrilacion ventricular : Depende de parametros fisiológicos (anatomía, estado del corazón, camino, clases de corriente , etc)

Protección de las PersonasProtección de las Personas

Todos los caminos de circulacion de las personas deben estar dentro del area protegida.

Uso de alfombras conductoras puestas a tierra reducen diferencias de potencial.

Asegurar separaciones seguras entre conductores de descarga y personas.

EquipotencialidadEquipotencialidad

Se obtiene la equipotencialidad vinculando el sistema de protección con : - Estructura metalica del edificio. - Instalaciones metalicas del edificio. - Elementos conductores externos. - Instalaciones electricas y de telecomunicación. - Cañería de agua. Por medio de conductores metálicos o protectores de sobretensión.

Distancia de SeguridadDistancia de Seguridad

d = ki . km . L

d = distancia de seguridadki = depende nivel proteccionkm = depende medio separaciónL = longitud de la bajada desde el punto de riesgo de descarga hasta el punto de conexión equipotencial mas cercano a tierra.

Distancia de Seguridad Distancia de Seguridad (Coeficientes)(Coeficientes)

Nivel Prot. ki

I 0.1

II 0.075

III y IV 0.05

Material km

Aire 1

Solido 0.5

La norma BS6651 (UK) exige que todos los cuerpos conductores con una distancia menor a 2 metros de los conductores de bajada deben vincularse electricamente para asegurar la equipotencialidad

Proteccion de EquiposProteccion de EquiposDescargas Atmosfericas y Transitorios ElectricosDescargas Atmosfericas y Transitorios Electricos

Transitorio electrico Incremento momentaneo en la tension normal de un sistema producido por una descarga atmosfericas.

Pueden originarse por acoplamiento resistivo, inductivo o capacitivo.

Aparecen en los cables de alimentacion y de senal SPD (Surge Protection Device) no puede proteger al

equipo ante una descarga directa. SPD solo neutraliza el transitorio de tension

Acoplamiento ResistivoAcoplamiento ResistivoLa descarga origina un gradiente de tension

sobre el terreno

Acoplamiento InductivoAcoplamiento InductivoLas descargas a través de los conductores de bajada inducen transitorios en el cableado interno.

Acoplamiento CapacitivoAcoplamiento Capacitivo

Dispositivos Protección TransitoriosDispositivos Protección Transitorios(SPD = Surge Protection Device)(SPD = Surge Protection Device)

Descargador Gaseoso : capacidad de manejo de niveles de energía elevados, autorestauración, larga vida, libre de mantenimiento .

Diodo Zener : manejo de energia limitado, rápida respuesta, buen efecto enclavador, estables.

Varistor Metal-Óxido : manejo de energia elevado, efecto de enclavamiento suave, no es preciso.

Fusible : Respuesta lenta, requiere reemplazo Relevadores : muy lenta respuesta, voluminosos Interruptores : muy lenta respuesta, voluminosos

Dispositivos Protección TransitoriosDispositivos Protección Transitorios(SPD = Surge Protection Device)(SPD = Surge Protection Device)

Resumen : Seis Puntos BasicosResumen : Seis Puntos Basicos Capture la descarga Conduzca la descarga a

tierra en forma segura. Disipe la descarga a

tierra mediante un sistema de baja impedancia.

Evite lazos, asegure la equipotencialidad entre diferentes tierras.

Proteja equipos de transitorios de linea.

Proteja equipos de transitorios en cables coaxiles y antenas.

Puesta a Tierra en Puesta a Tierra en Instalaciones de Red CATVInstalaciones de Red CATV

Puesta a tierra en cada fuente de alimentacionPuesta a tierra en cada activo del sistema

(Nodo Optico, Amp. Distribucion, Amp Linea)Puesta a tierra cada 100 mts (quinto poste)Equipotencialidad con lineas de energia

(vinculacion de puestas a tierra)

Puesta a Tierra en Puesta a Tierra en Instalaciones DomiciliariasInstalaciones Domiciliarias

Tratar de acometer cerca de donde lo hace la compañia de suministro electrico.

Intercalar “grounding block” para efectuar la puesta a tierra de la instalacion.

Vincular la tierra de energia con la de CATV por el camino mas corto posible (Equipotencialidad)

Regla de oro : “Evitar que el TV / VCR o Set Top del cliente quede en el camino de la descarga

Puesta a Tierra en Inst. DomiciliariaPuesta a Tierra en Inst. Domiciliaria

Descarga en Instalacion Descarga en Instalacion sin Puesta a Tierrasin Puesta a Tierra

Descarga en Instalacion Descarga en Instalacion sin Puesta a Tierrasin Puesta a Tierra