TRABAJO COLABORATIVO # 1

JORGE ORJUELA

ANDRES GONZALEZ

LEON BURITICA

JOSE GALLEGO

LEONARDO ALBERTO CONDE TORRES

CC 17653787

TUTOR

FUAN EVANGELISTA

UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA UNAD

CENTRO DE ESTUDIOS A DISTANCIA CEAD

PROGRAMA DE INGENIERIA ELECTRONICA

CAMPOS ELECTROMAGNETICOS

INTRODUCCION

En este trabajo, vamos a dar una explicación básica de cómo funciona un pararrayos, las clases, los principios y leyes de la electrostática que se aplican en el diseño de los pararrayos, las zonas del mundo con mayor incidencia de rayo y la normatividad vigente que regula esta ingeniería. El objetivo fundamental de este trabajo es establecer medidas de protección que garanticen la seguridad de las personas, de la vida animal y de la preservación del medio ambiente, previniendo y minimizando o eliminando los riesgos de origen eléctrico. Estas prescripciones parten de que cumplan los requisitos civiles, y de fabricación. Establece las exigencias que garantice la seguridad con base en el buen funcionamiento de las instalaciones, la confiabilidad, calidad y adecuada utilización del equipo de protección pararrayo.

OBJETIVOS.

• Conocer los principios de la electrostática.

• Conocer una de las aplicaciones más importantes en el estudio de la electrostática.

• Conocer que es una descarga atmosférica.

• Comprender como controlar este tipo de fenómeno.

• Conocer el marco legal que regula el diseño de un pararrayos.

ATRACCION / REPULSION DE CARGAS ELECTRICAS

Preguntas: 1. ¿Cómo funciona un pararrayos y cuáles tipos hay? 2. ¿Qué principios y leyes de la electrostática se aplican en el diseño y elaboración de un pararrayos? Justificar y ejemplificar cada propuesta. 3. Consultar y socializar las zonas nacionales y mundiales donde la ocurrencia de los rayos es más frecuente y sugerir cómo protegernos. 4. Consultar, socializar y discutir con los colegas sobre las normas vigentes en Colombia relacionadas con la protección contra rayos, resaltando los requerimientos que se exigen respecto a estos equipos.

Respuestas:

1. Un pararrayos es un instrumento cuyo objetivo es atraer un y canalizar la descarga eléctrica hacia tierra, de modo tal que no cause daños a construcciones o personas. Este artilugio fue inventado en Benjamín Franklin mientras efectuaba una serie de experimentos sobre la propiedad que tienen las puntas agudas, puestas en contacto con la tierra, de descargar los cuerpos electrizados situados en su proximidad. Están compuestos por una barra de hierro coronada por una punta de colocada en la parte más alta del edificio al que protegen. La barra está unida, mediante un cable conductor, a tierra (la toma de tierra es la prolongación del conductor que se ramifica en el suelo, o placas conductoras también enterradas, o bien un tubo sumergido en el agua de un pozo). En principio, el radio de la zona de protección de un pararrayos es igual a su altura desde el suelo, y evita los daños que puede provocar la caída de un rayo sobre otros elementos, como edificios, árboles o personas. El principio del funcionamiento de los pararrayos consiste en que la descarga electrostática se produce con mayor facilidad, siguiendo un camino de menor resistividad eléctrica, por lo cual un metal se convierte en un camino favorable al paso de la corriente eléctrica. Los rayos caen también principalmente en los objetos más elevados ya que su formación se favorece cuanto menor sea la distancia entre la nube y la tierra. El pararrayos obtuvo tal éxito que hasta la moda se apoderó de él: las mujeres elegantes de la época se paseaban bajo sombrillas de larga punta equipadas con una cadena metálica que se arrastraba por el suelo. Como elemento protector de los circuitos eléctricos, se utilizan en la actualidad dos tipos de pararrayos, los de Resistencia Variable y los de Óxido de Zinc. Los primeros asocian una serie de explosores y unas resistencias no lineales (varistancias) capaces de limitar la corriente después del paso de la onda de choque. Se caracterizan por su tensión de extinción a frecuencia industrial más alta bajo la cual el pararrayos puede descebarse espontáneamente. Los segundos

están constituidos solo por varistancias y reemplazan a los anteriores cada vez más, ya que su característica principal es la no linealidad de las varistancias de ZnO, que facilitan que la resistencia pase de unos 1.5 Mohms a 15 Ohms entre la tensión de servicio y la tensión nominal de descarga

ESTRUCTURA Y FUNCIONAMIENTO

Las instalaciones de pararrayos consisten en un mástil metálico (acero inoxidable, aluminio, cobre o acero) con un cabezal captador. El cabezal tiene muchas formas en función de su primer funcionamiento: puede ser en punta, multipuntas, semiesférico o esférico y debe sobresalir por encima de las partes más altas del edificio. El cabezal está unido a una toma de tierra eléctrica por medio un cable de cobre conductor. La toma de tierra se construye mediante picas de metal que hacen las funciones de electrodos en referencia al terreno o mediante placas de metal conductoras también enterradas. En principio, un pararrayos protege una zona teórica de forma cónica con el vértice en el cabezal; el radio de la zona de protección depende del ángulo de apertura de cono, y éste a su vez depende de cada tipo de protección. Las instalaciones de pararrayos se regulan en cada país por guías de recomendación o normas. El objetivo principal de estos sistemas es reducir los daños que puede provocar la caída de un rayo sobre otros elementos. Muchos instrumentos son vulnerables a las descargas eléctricas, sobre todo en el sector de las telecomunicaciones, electromecánicas, automatización de procesos y servicios, cuando hay tormenta con actividad eléctrica de rayos. Casi todos los equipos incluyen tecnologías electrónicas sensibles a las perturbaciones electromagnéticas y variaciones bruscas de la corriente. La fuente más importante de radiación electromagnética es la descarga del rayo en un elemento metálico o, en su caso, en un pararrayos. Las instalaciones de pararrayos generan pulsos electromagnéticos de gran potencia cuando funcionan.

TIPOS DE PARRAYOS

Pararrayos desionizador de carga electrostática

Algunos autores aseguran que gracias a su diseño el pararrayos desionizador de carga electrostática anula el campo eléctrico en las

estructuras, inhibiendo por tanto la formación del rayo en la zona que se protege al adelantarse al proceso de formación del rayo, para debilitar el campo eléctrico presente, en débiles corrientes que se fugan a la toma de tierra y evitan posibles impactos de rayos en las estructuras. Otros autores afirman que su presencia no constituye una protección distinta a la otorgada por un pararrayos convencional.5 Al respecto se ha afirmado que:

No hay evidencia teórica ni experimental que sustente la posibilidad de impedir la formación del rayo ni de extender la zona de protección más allá de un captor convencional.

Pararrayos con dispositivo de cebado

Un pararrayos con dispositivo de cebado es un pararrayos que incorpora un dispositivo de cebado (PDC), electrónico o no, que garantiza una mayor altura del punto de impacto del rayo, aumentando así el área de cobertura y facilitando la protección de grandes áreas, simplificando y reduciendo costes de instalación.

Su funcionamiento se basa en el siguiente proceso:

Cuando se dan las condiciones atmosféricas para la formación de nubes con carga eléctrica (cumulonimbus), el gradiente atmosférico aumenta de una forma rápida, creando un campo eléctrico de miles de voltios/metro entre nube y tierra. Durante este proceso, el sistema PDC capta y almacena la energía de la atmósfera en su interior. El cabezal emite un trazador ascendente en forma de impulso de alta frecuencia a partir de la energía almacenada cuando el control de carga detecta que está próxima la caída de un rayo (valor de tensión cercano al de ruptura del gradiente de la atmósfera). Mediante el trazador ascendente, se facilita un camino ionizado de baja impedancia para la descarga hacia tierra de la energía almacenada en la nube, a través del conductor bajante de la instalación, neutralizando el potencial de tierra. El nivel de protección está relacionado con la eficiencia requerida para que un sistema de protección contra el rayo intercepte las descargas sin riesgo para las personas, para la estructura y para las instalaciones. Indica la eficacia del sistema de protección dentro del volumen a proteger.

Tipos de pararrayos

• Tipo Franklin: se basa en la teoría del “efecto punta”, es decir, que las cargas se acumulan en las partes puntiagudas de un conductor y los campos eléctricos son más intensos allí. Por lo tanto, las descargas eléctricas se dirigen a la punta del pararrayos, el punto más alto. El sistema está formado por las partes anteriormente descritas. La zona de cobertura es un cono, cuya base tiene un radio igual a la distancia desde tierra a la punta del pararrayos (A=R).• Tipo radioactivo: contiene una caja con una pequeña cantidad de isótopo

radioactivo cuyo fin es ionizar el aire circundante. Los iones que se producen favorecen el camino que ha de seguir la guía. Su área de protección es una semiesfera de unos 200 metros de radio que cae hasta el suelo en forma de cilindro. Actualmente se encuentra prohibido en muchos países.• Tipo piezoeléctrico: se basa en el fenómeno que presenta el cuarzo, que al ser presionado produce una descarga eléctrica entre dos electrodos. En este caso, la fuerza es producida por el viento al actuar sobre el vástago del pararrayos, por lo que funciona mejor cuanto más fuerte sea el viento.• Tipo ión - corona solar: tiene un dispositivo eléctrico emisor de iones y un acelerador de partículas polarizadas. Es más eficaz que el radioactivo ya que este último produce una ionización constante, mientras que la emisión del primero se incrementa en forma proporcional al cuadrado de la disminución de la distancia, lo que aumenta las probabilidades de que la guía descarga en él. No genera una ionización peligrosa a la salud de las personas que viven en la zona o al medio ambiente. Consiste en dos electrodos entre los cuales se producen efluvios eléctricos y una pequeña luminosidad (efecto corona). Necesita energía eléctrica para el ionizador y ésta se consigue generalmente con un panel solar.Tipo jaula de Faraday o reticular: se basa en el fenómeno descubierto por el físico inglés Michael Faraday (1791-1867). Si rodeamos un ambiente con una lámina conductora, el campo eléctrico externo redistribuye los electrones libres en el conductor, dejando una carga positiva neta sobre la superficie externa en algunas regiones y una carga negativa neta en otras. Esta distribución de carga ocasiona un campo eléctrico adicional tal que el campo total en todo punto interior es cero, tal como lo predice la ley de Gauss (por este principio sabemos que estar dentro de un automóvil durante una tormenta es más seguro ya que si se produce una descarga en él, la carga tiende a permanecer sobre la carrocería metálica y dentro de él no se genera campo eléctrico). El dispositivo consiste en un retículo o malla tendida a lo largo de los aleros del tejado o terraza de grandes edificios y conectada eléctricamente atierra. Se emplean en aquellos edificios donde predomina la superficie frente a la altura.

En esta manera, si se tiene un objeto en forma de punta sometido a un intenso campo electrostático (como el generado por una nube de tormenta), la acumulación de cargas en la punta es también muy elevada.

Esta propiedad fue aprovechada por Benjamín Franklin para diseñar su pararrayos a mediados del siglo XVIII.

Principio del pararrayos:

El pararrayos no es más que un dispositivo que, colocado en lo alto de un edificio, dirigen al rayo a través de un cable hasta la tierra para que no cause desperfectos. Ya hemos comentado que normalmente las nubes de tormenta tienen su base cargada negativamente, mientras que la región de tierra que se encuentra debajo de ellas, por efecto de inducción electroestática, presenta carga positiva. Las cargas negativas de la nube se repelen entre sí y son atraídas por las cargas positivas de la tierra. Puesto que el pararrayos está conectado a tierra, sus electrones son repelidos. por los de la nube con lo que queda

cargado positivamente al igual que la tierra bajo la ¿Qué principios y leyes de la electrostática se aplican en el diseño y elaboración de un pararrayos? Justificar y ejemplificar cada propuesta.Durante el proceso de la tormenta se generan campos eléctricos de alta tensión entre nube y tierra. Las cargas se concentran en las puntas más predominantes a partir de una magnitud del campo eléctrico. Alrededor de la punta o electrodo aparece la ionización natural o efecto corona, resultado de la transferencia de energía. Este fenómeno es el principio de excitación para trazar un canal conductor que facilitará la descarga del fenómeno rayo (Leader).En función de la transferencia o intercambio de cargas, se pueden apreciar, en la punta del pararrayos, chispas diminutas en forma de luz, ruido audible a frito, radiofrecuencia, vibraciones del conductor, ozono y otros compuestos. Este fenómeno arranca una serie de avalancha electrónica por el efecto campo, un electrón ioniza un átomo produciendo un segundo electrón, éste a su vez junto con el electrón original puede ionizar otros átomos produciendo así una avalancha que aumenta exponencialmente. Las colisiones no resultantes en un nuevo electrón provocan una excitación que deriva en el fenómeno luminoso. A partir de ese momento, el aire cambia de características gaseosas al límite de su ruptura dieléctrica. El rayo es el resultado de la saturación de cargas entre nube y tierra, se encarga de transferir en un instante, parte de la energía acumulada; el proceso puede repetirse varias veces.

Consultar y socializar las zonas nacionales y mundiales donde la ocurrencia de los rayos es más frecuente y sugerir cómo protegernos.

El nivel Isocerá unico 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. Para crear mapas útiles como referencia sobre la probabilidad de caída de rayos, se acude al trazado de líneas isoceráunicas, que son aquellas que delimitan áreas territoriales con un mismo nivel ceráunico. Mientras una de las zonas más tormentosas de Europa se encuentra en los Alpes con promedios multianuales de 30 días tormentosos al año, las zonas colombianas del Nordeste de Antioquia, Medellín y el Valle de Aburrá presentan promedios superiores a 140, el Valle del Cauca y Cauca nucleamientos entre 60 y 100, el altiplano Cundi-Boyacense 80, Choco alrededor de 100 y en el extremo más oriental de Colombia hasta 120 días de tormenta al año. Colombia se encuentra ubicada en la zona de mayor actividad eléctrica atmosférica del planeta, el trópico. Estudios experimentales muestran que la rata de ocurrencia de descargas eléctricas en el trópico es de aproximadamente 100 rayos/segundo, al menos 10 veces mayor a lo detectado en zonas templadas. Los estudios realizados en relación con la hipótesis de variación espacio-temporal de los parámetros del rayo, liderada por el grupo PAAS de la Universidad Nacional , comprueban experimentalmente que el nivel ceráuneo (número de días de tormenta al año), la densidad de descargas a tierra (número de rayos a tierra por kilómetro cuadrado durante un año) y la corriente pico (amplitud de la

onda de corriente durante la descarga de retorno) medidos en Colombia y el trópico son en general mayores a lo detectado en otros lugares del mundo.Sugerencia de cómo protegernos contra el rayo. “La mejor maneras de protegernos contra este fenómeno natural, es hacer un buen diseño e instalación de un sistema de pararrayos y conectarlo a un excelente sistema de puesta a tierra, basados en toda la normatividad vigente aplicable a este país y, por qué no, considerar normas internacionales también (ej.: IEC 61024-1).Aunque, entiendo que los sistemas de pararrayos solamente protegen las estructuras y a las personas que se encuentren en su interior. Por lo tanto, es importante que durante una tormenta, las personas que se encuentren expuesta, se alejen de los arboles altos y, en lo posible, se refugien en el interior de un edificio. Si esto no es posible, es importante mantener los dos pies bien pegados para evitar una diferencia de potencial peligrosa entre los dos pies durante una descarga eléctrica, la cual atraviesa el terreno en el cual nos encontramos parados. En términos técnicos, esta tensión se denomina tensión de paso.

MODO PROTECCION CONTRA PARARAYOS

Consultar, socializar y discutir con los colegas sobre las normas vigentes en Colombia relacionadas con la protección contra rayos, resaltando los requerimientos que se exigen respecto a estos equipos.

Las normativas de pararrayos deben definir un tipo de instalaciones donde la prioridad sea la protección de las personas y animales. El principio de protección de todas ellas es adoptar un sistema pasivo que reduzca la incidencia de rayos en la instalación, evitando así los posibles daños a causa de la descarga. Según los diferentes estudios científicos, el rayo es la representación de la saturación de carga eléctrica entre nube y tierra que ha estado causada por dos tipos de electricidad atmosférica, la positiva y la negativa. Todo principio de protección

externa del rayo tiene que evitar este fenómeno eléctrico de saturación atmosférica (Campo de Alta Tensión), transfiriendo la carga electroestática a tierra según aparece durante el proceso de la tormenta sin generar la descarga. Los equipos diseñados como Sistemas de Protecciones Contra el Rayo (SPCR), tienen que tener como objetivo prioritario, evitar la formación e impacto del rayo a tierra en el radio de protección definido. Los Sistemas de Protecciones Contra el Rayo (SPCR), tienen que incorporar sistemas que analicen y garanticen la efectividad del sistema, donde el principio de éstos sea recoger datos estadísticos que revelaran y analizaran el comportamiento del conjunto de protección tierra / aire durante la tormenta, justificando la transferencia de carga del sistema.

NORMAS VIGENTES EN COLOMBIA

• RETIE Reglamento técnico de instalaciones eléctricas.

• COMISION DE REGULACION DE ENERGIA Y GAS.

• Norma Técnica Colombiana de Protecciones contra Descargas Eléctricas Atmosféricas. NTC4552.

• Código Eléctrico Nacional NTC 2050.

ENTIDADES QUE VIGILAN Y REGULAN ESTE CAMPO.

• COMISION DE REGULACION DE ENERGIA Y GAS.

• ICONTEC.

• SUPERINTENDENCIA DE INDUSTRIA Y COMERCIO.

• INGEOMINAS.

• MINISTERIO DE MINAS Y ENERGIA.

Nota: En el artículo 5 del Reglamento Técnico de Instalaciones Eléctricas (RETIE), se habla del análisis de riesgo eléctrico y entre los más comunes está el rayo. Allí pueden encontrar información sobre la tensión de paso de la que les hablé anteriormente. En el artículo 42 se habla de los requisitos de protección contra rayos, diseño, materiales y tipos permitidos en la fabricación. En el siguiente link, pueden ver el RETIE y comprobar los artículos mencionados.

CONCLUSIONES

• Una de las aplicaciones más usadas dentro del uso de los campos eléctricos, son los dispositivos como los pararrayos, conocer un poco mas afondo el principio de funcionamiento de estos dispositivos, nos agranda la visión, y el conocimiento en el campo de la ingeniería electrónica.

• Familiarizarnos con el uso y aplicación de las normas vigentes y las entidades que regulan, el buen uso de los recursos.

• Podemos decir que las leyes de la naturaleza, no son predecibles, pero dispositivos como el pararrayos, nos sirven como ayuda en sistemas, zonas, y lugares, en los cuales se deban mantener alejados de descargas atmosféricas, que pueden afectar tanto la integridad tanto de personas como equipos e instalaciones.

REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS

• Modulo CAMPOS ELECTROMAGNETICOS / UNAD; Fuan Evangelista Gómez Rendón.• PROTECCION CONTRA RAYOS; Horacio Torres Sánchez; Universidad Nacional de Colombia-ICONTEC.• TIERRAS SOPORTE DE LA SEGURIDAD ELECTRICA; Favio Casas Ospina; ICONTEC• FUNDAMENTOS DE ELECTRICIDAD; Milton Gussow; Mc Graw Hill.• FISICA CONCEPTUAL; Paul Hewitt.• www.wikipedia.com • http://www.scite.unal.edu.co/scite.html