Protección contra Descargas Atmosféricas y Puesta a Tierra Ing Juan Ramón García Bish jrgbish@hotmail.com.

Presentación del tema: "Protección contra Descargas Atmosféricas y Puesta a Tierra Ing Juan Ramón García Bish jrgbish@hotmail.com."— Transcripción de la presentación:

1 Protección contra Descargas Atmosféricas y Puesta a Tierra Ing Juan Ramón García Bish

2 Agenda Origen de las Descargas Atmosféricas
Protección contra Descargas Atmosféricas Protección de Instalaciones Protección de Personas Protección de Equipos Puesta a Tierra .

3 Origen de las Descargas
Mecanismo de generacion de las Descargas Atmosféricas Diferentes tipos de Descargas Parametros característicos de la Descarga

4 Ingredientes de una Descarga
Aire inestable Humedad Mecanismo disparador (ejemplo: pasaje de un frente frio)

5 Mecanismo 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.

6 Esquema de una Tormenta

7 Diferentes 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)

8 Corriente de Descarga Zona A - Pulso de corriente Pico de hasta 260 KA dI/dt = MA/seg Zona B – Transición Zona C – Estabilización Corriente de cientos de A Dona D – Repetición descarga Típicamente 3 o 4 veces

9 Porcentaje 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.

10 Parametros de una Descarga
Porcentaje de eventos con caracteristicas superiores a las indicadas 99 90 75 50 25 10 1 % Numero de descargas 1 2 3 5 7 12 Intervalo entre descargas 35 55 150 400 mseg Corriente 1er descarga 20 30 80 130 KA Pico descargas siguientes 6 15 40 Primer descarga dI/dt 70 GA/s Siguientes descargas dI/dt 45 100 200 Carga Total C Corriente Continua Max. A Duracion Total 250 600 900 1500

11 Protección Contra Descargas
Elementos a Proteger Instalaciones Personas (vidas) Equipos Idea de Area Protegida Cono de Protección Método de la Esfera Rodante

12 Idea 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.

13 Estrategias 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.

14 Cono 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

15 Ángulo de Protección I II III IV Nivel de Protección h = 20 mt
25 grados II 35 grados III 45 grados IV 55 grados

16 Ejemplo de aplicación 1.- Captor de Asta 2.- Volumen a Proteger
3.- Plano de Referencia 4.- Intersección conos de protección. 5.- Separación de seguridad. Proyeccion del volumen sobre el plano del piso

17 Método de la Esfera Rodante
Nivel de Protección Radio de la Esfera I 20 mts II 30 mts III 45 mts IV 60 mts

18 Método de la Esfera Rodante

19 Método de la Esfera Rodante

20 Ejemplo Práctico 1.- Captores verticales 2.- Captor en mastil
3.- Captores laterales 4.- Area protegida

21 Captores de Descarga Captores tradicionales (Tipo Franklin)

22 Captores de Descarga Captores tipo EMS (Early Streamer Emitter) Favorecen la creación de una descarga ascendente

23 Conductores de Descarga
Por razones de seguridad se requieren dos conductores como mínimo El 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.

24 Espaciamiento Conductores 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

25 Caida de Tensión Inductancia de un conductor circular recto aproximadamente igual a 1 microHy/mt. Caida de tensión E = I.R + L dI/dt Caso típico : Bajada = 10 mts de conductor AWG R = 0.13 ohms y L = 10 microhenries I = A y dI/dt = 20 GA/seg Con los valores anteriores resulta : E = 2600 V V = V

26 Sistema 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)

27 Medición Resistividad del 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

28 Resistencia a Tierra

29 Medición 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.

30 Mejora Resistencia a Tierra

31 Protección 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

32 Descarga Lateral

33 Efectos Corriente Electrica 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)

34 Protección 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.

35 Equipotencialidad 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.

36 Distancia de Seguridad
d = ki . km . L d = distancia de seguridad ki = depende nivel proteccion km = depende medio separación L = longitud de la bajada desde el punto de riesgo de descarga hasta el punto de conexión equipotencial mas cercano a tierra.

37 Distancia de Seguridad (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

38 Proteccion de Equipos Descargas 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

39 Acoplamiento Resistivo
La descarga origina un gradiente de tension sobre el terreno

40 Acoplamiento Inductivo
Las descargas a través de los conductores de bajada inducen transitorios en el cableado interno.

41 Acoplamiento Capacitivo

42 Dispositivos Protección Transitorios (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

43 Dispositivos Protección Transitorios (SPD = Surge Protection Device)

44 Resumen : 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.

45 Puesta a Tierra en Instalaciones de Red CATV
Puesta a tierra en cada fuente de alimentacion Puesta 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)

46 Puesta a Tierra en Instalaciones 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

47 Puesta a Tierra en Inst. Domiciliaria

48 Descarga en Instalacion sin Puesta a Tierra

49 Descarga en Instalacion sin Puesta a Tierra