299001-4_act_6_tc_nº 1.pdf

UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA ESCUELA DE CIENCIAS BSICAS TECNOLOGA E INGENIERA

PROGRAMA INGENIERIA ELECTRNICA

299001_4 CAMPOS ELECTROMAGNTICOS

ESP. FUAN EVANGELISTA GMEZ RENDN

(Tutor)

TRABAJO COLABORATIVO No. 1 (Act. 6)

POR

ARLEY ADOLFO ZAPATA CASTILLO OMAR JONATAN OVIEDO RIVERA JAIRO ANTONIO CASTRO CASAS

(Estudiantes)

Colombia Septiembre de 2011

UNAD Por la Calidad Educativa y la Equidad Social

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TABLA DE CONTENIDOS

1 INTRODUCCIN ................................................................................................................. 2

2 OBJETIVOS......................................................................................................................... 2

3 MARCO CONCEPTUAL ................................................................................................. 3 - 4

4 SOLUCIN A PREGUNTAS Pararrayos .................................................................... 4 - 11

5 CONCLUSIONES .............................................................................................................. 12

6 BIBLIOGRAFIA Y CIBERGRAFIA ..................................................................................... 12


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1. INTRODUCCION

El presente trabajo colaborativo se realiz de manera grupal y pretende evidenciar la interiorizacin de la Unidad 1 del curso CAMPOS ELECTROMAGNTICOS 299002, a travs de la solucin de varias preguntas, que revisan los conceptos de aplicacin de campo elctrico, flujo elctrico y potencial elctrico a travs del anlisis de los pararrayos. Un pararrayos es aquel artefacto que, ubicado en lo alto de un edificio o una casa, tiene la funcin de dirigir al rayo junto con su enorme carga elctrica hacia la tierra. La eficacia de estos sistemas, es aquella cuyo principio de funcionamiento sea minimizar o evitar en lo posible las descargas directas de rayos en la instalacin que queremos proteger, evitando as todo riesgo de muertes de personas, accidentes o incendio por tensiones de paso o diferencia de potencial durante el impacto del rayo, esta eficacia es el eje central del diseo y construccin de estos elementos. En el documento se analizaran las principales caractersticas del funcionamiento, diseo, construccin y aplicacin de estos sistemas de proteccin de rayos, relacionando dichas caractersticas con los fenmenos y trminos fsicos pertinentes. El formato del documento cumple con los lineamientos establecidos en la rbrica de evaluacin para fondo y forma tomando especial atencin en las especificaciones generales de las normas APA para todos los casos en que la rbrica del trabajo no determine detalles especficos de formato.

2. OBJETIVOS

Repasar y comprender los principios que explican la electrosttica.

Identificar las aplicaciones bsicas del estudio de la electrosttica.

Resolver preguntas que relacionan los sistemas de proteccin contra rayos con los conceptos fsicos respectivos de fenmenos atmosfricos electroestticos.


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3. MARCO CONCEPTUAL

El fenmeno del rayo

En el mundo, diariamente y en cada instante, se producen unas 44.000 tormentas que generan ms de 8.000.000 de rayos, segn el sistema de deteccin mundial de meteorologa. El rayo es la reaccin elctrica causada por la saturacin de cargas electroestticas que han sido generadas por la acumulacin progresiva del campo elctrico entre tierra y nube durante la activacin de una tormenta tpica.

Durante unas fracciones de segundos, la energa electroesttica acumulada se convierte, durante la descarga del rayo, en energa electromagntica (el relmpago visible y la interferencia de ruido), energa acstica (trueno) y finalmente, calor.

El fenmeno del rayo se representa aleatoriamente a partir de un potencial elctrico atmosfrico (10/45 kV). Se genera entre dos puntos de atraccin de diferente polaridad e igual potencial para compensar la saturacin de carga electroesttica. La densidad de carga del rayo es proporcional a la saturacin de carga electroesttica de la zona. A mayor densidad de carga, mayor es el riesgo de generar un Leader y a continuacin una descarga de rayo.

La intensidad de la descarga del rayo es variable y depender del momento crtico de la ruptura de la resistencia del aire entre los dos puntos de transferencia; estar influenciado por la resistencia de los materiales expuestos en serie, como por ejemplo: tierra, roca, madera, hierro, instalaciones de pararrayos, tomas de tierra, etc.

El rayo puede transportar una carga de electrones en menos de un segundo equivalente a 100 millones de bombillas ordinarias; la media que se valora por rayo es de 20GW de potencia.

La trayectoria del rayo puede ser catica, siempre predominarn los ambientes elctricos cargados dentro del campo de alta tensin natural. Este fenmeno elctrico se representa en forma de sombra electrnica, que determina los elementos que sern afectados por el intercambio de cargas. Los estudios del campo elctrico atmosfrico en tierra determinan que la distribucin de cargas durante la generacin del campo de alta tensin en tierra no es esttica, sino dinmica, al formarse y generar aleatoriamente el Leader o trazador en movimiento y diferentes puntos geogrficos al mismo tiempo. La intensidad y situacin de esta sombra electrnica puede cambiar radicalmente y afectar las zonas bajas o laterales de las estructuras o edificios altos.

No se puede garantizar la zona de impacto del rayo una vez formado sin una proteccin adecuada; los rayos pueden causar grandes prdidas econmicas, efectos directos e indirectos en seres humanos y efectos directos e indirectos en instalaciones, de all la importancia en la correcta construccin e instalacin de estos sistemas.


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4. SOLUCION A PREGUNTAS Pararrayos a. Cmo funciona un pararrayos y cules tipos hay?

Se denominan, en general, pararrayos a los dispositivos destinados a descargar las sobretensiones producidas por descargas atmosfricas, por maniobras o por otras causas que, en otro caso, se descargaran sobre los aisladores o perforando el aislamiento, ocasionando interrupciones en el sistema elctrico y, en muchos casos, desperfectos en los generadores, transformadores, etc. El pararrayos est formado por una antena metlica, que termina en punta, con una bola de cobre o platino. La barra est unida a tierra por un cable conductor, que lleva la descarga hacia el suelo. En la punta del pararrayos aparecen intensas cargas positivas que crean iones positivos que al ascender reducen la carga negativa de la tormenta elctrica, al mismo tiempo que atraen hacia abajo las cargas negativas. Cuando se produce la descarga elctrica tiende a seguir la lnea de los iones hasta chocar con el pararrayos. La potente corriente se desplaza por el cable y llega a tierra sin producir ningn dao. Es por eso que los lugares ms altos como antenas de radio, o edificios suelen tener uno. Para as evitar que los rayos caigan en cualquier otro lado y provoquen alguna desgracia. Para que su funcionamiento sea eficaz, los pararrayos han de estar permanentemente conectados a las lneas pero solamente han de entrar en funcionamiento cuando la tensin alcance un valor conveniente y superior, naturalmente, a la tensin de servicio. Es decir, que pararrayos acta a la manera de una vlvula de seguridad. Como en las primeras instalaciones en que se emplearon estos dispositivos, su misin fundamental era limitar las sobretensiones de origen atmosfrico, recibieron el nombre de pararrayos. Posteriormente' ampli su misin, utilizndose tambin para proteger las insta-laciones contra las sobretensiones de origen interno. Por eso, parece ms adecuada la denominacin de descargadores de sobretensin aunque nosotros hemos conservado la denominacin clsica de pararrayos, porque nos parece ms intuitiva. En lo sucesivo, podemos utilizar indistintamente ambas denominaciones y el lector debe saber que nos referimos al mismo dispositivo. Tipos de pararrayos Sea cual sea la forma tecnologa utilizada, todos los pararrayos tienen la misma finalidad: ofrecer al rayo un camino hacia tierra de menor resistencia que si atravesara la estructura del edificio.

Existen dos tipos fundamentales de pararrayos:

I. Pararrayos de puntas:

Formada por una varilla de 3 a 5 m de largo, de acero galvanizado de 50 mm de dimetro con la punta recubierta de wolframio (para soportar el calor producido en el impacto con el rayo). Si


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adems se desea prevenir la formacin del rayo, pueden llevar distintas dispositivos de ionizacin del aire.

De tipo Flanklin: se basan en el "efecto punta". Es el tpico pararrayos formado por una varilla metlica acabada en una o varias puntas.

La zona protegida por un pararrayos clsico de Flanklin tiene forma cnica.

Fig.1 - Zona protegida por un pararrayos clsico.

En este tipo de pararrayos, el efecto de compensacin de potencial es muy reducido, por lo que en zonas con alto riesgo suelen usarse otro tipo de pararrayos.

De tipo radiactivo: consiste en una barra metlica en cuyo extremo se tiene una caja que contiene una pequea cantidad de istopo radiactivo, cuya finalidad es la de ionizar el aire a su alrededor mediante la liberacin de partculas alfa.

Este aire ionizado favorece generacin del canal del rayo hasta tierra, obteniendo un rea protegida de forma esfrico-cilndrica.

El uso de este tipo de pararrayos est prohibido en la mayor parte de pases que tienen normalizado el tema.

Fig.2 - Zona protegida por un pararrayos radiactivo

Tipo in-corona solar: este tipo de pararrayos incorpora un dispositivo elctrico de generacin de iones de forma permanente, constituyendo la mejor alternativa a los


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pararrayos atmicos. La energa necesaria para su funcionamiento suele proceder de fotoclulas.

De tipo piezoelctrico: se basa en la capacidad de los materiales piezoelctricos, de producir carga elctrica a partir de los cambios en su estructura debido a presiones externas (tales como las producidas por el viento durante un vendaval).

Para mejorar el comportamiento de los pararrayos de punta, puede usarse la tcnica denominada "matriz de dispersin", que consiste en un conjunto de puntas simples o ionizadoras cuya misin es la de ofrecer multitud de puntos de descarga entre tierra y nube, as modo la repartir esa descarga de neutralizacin en una regin mayor de modo que se reduce la aparicin de puntos con distintos potenciales que favorezcan la aparicin del rayo.

II. Pararrayos reticulares o de jaula de Faraday: consisten en recubrir la estructura del edificio mediante una malla metlica conectada a tierra.

Fig.3 - Zona protegida mediante pararrayos reticular.

Hay que hacer notar que los edificios modernos con estructura metlica, cumplen una funcin similar a las jaulas de Faraday, por lo que la probabilidad de que un rayo entre en uno de estos edificios es extremadamente pequea.

b. Qu principios y leyes de la electrosttica se aplican en el diseo y elaboracin de un pararrayos? Justificar y ejemplificar cada propuesta.


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c. Consultar y socializar las zonas nacionales y mundiales donde la ocurrencia de los rayos es ms frecuente y sugerir cmo protegernos.

La contribucin al circuito global est dominado por una superposicin de efectos de las tres mayores zonas de conveccin: Suramrica Tropical, Centro de frica y el Continente Martimo1

10 zonas con ms alta densidad (rayos/km

2-ao) en el mundo

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Segn la DDT (Densidad de descargas a tierra), parmetro que define el nmero de rayos a tierra por kilmetro cuadrado y que se determina de acuerdo a mediciones directas y ecuaciones empricas, los lugares con ms probabilidad de rayos en el mundo, son:

PUESTO CIUDAD PAIS DDT

1 Kamembe Ruanda 82,7

2 Boende Congo 66,3

3 Lusambo Congo 52,1

4 Kananga Congo 50,3

5 Kuala Lumpur Malasia 48,3

6 Calabar Nigeria 47,4

7 Franceville Gabon 47,1

8 Posadas Argentina 42,7

9 Ocaa Colombia 39,9

10 Concepcin Paraguay 37,0

Tabla.1 Las 10 zonas con mayor DDT en el mundo

En el caso de Colombia la densidad de rayos a tierra, es:

1 Wilson Whipple, 1920 1930 2 Christian, H. J., R. J. Blakeslee, and S. J. Goodman, The detection of lightning from geostationary orbit, J. Geophys. Res. 2004


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Fig.4 Las zonas con mayor DDT en Colombia

Por estar localizada sobre la zona ecuatorial y rodeada de dos ocanos, Colombia presenta una alta nubosidad que, con la dinmica de los vientos, toma cargas electrostticas que al descargarse hacen que en algunas regiones se tenga la ms alta actividad de rayos del mundo. Entre los mtodos de proteccin, encontramos:

Puntas de captacin o pararrayos. Bajantes, conectores y electrodos de puesta a tierra adecuados. Instalacin de apantallamientos. Durante las tormentas se debe evitar circular por zonas desprotegidas y suspender

actividades de alto riesgo. Exigir diseos elctricos apropiados teniendo en cuenta la exposicin a los rayos que

presenta el lugar. Crear e institucionalizar guas y/o cartillas de proteccin contra rayos.

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

De acuerdo a la diversa informacin consultada, para la elaboracin de este informe, las normas que se tienen en cuenta en nuestro pas en lo referente a proteccin contra rayos, son: NTC 4552 2004

Esta Norma Tcnica Colombiana, ha sido concebida para estar en armona con las normas nacionales e internacionales que tienen que ver con la proteccin contra rayos. La norma basa la


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proteccin en la aplicacin de un Sistema de Proteccin Contra Rayos (SPCR) conducente a mitigar los riesgos asociados con la exposicin directa e indirecta a los rayos. Se fundamenta en que la instalacin de un SPCR no induce ni previene la formacin del rayo. La NTC 4552 es una norma de carcter general que pretende dar principios fsicos aplicables para unas buenas prcticas de ingeniera, con el fin disminuir los efectos de los rayos, que pueden ser de tipo electromagntico, mecnico o trmico. En general, una proteccin contra rayos totalmente efectiva no es tcnica ni econmicamente viable, pero si se siguen las recomendaciones de esta norma, la probabilidad de daos ser mnima. De igual modo, esta norma entrega aportes novedosos respecto otras normas internacionales, fruto de investigacin y de la aplicacin a casos reales, se pueden destacar los siguientes aspectos: Tratamiento estadstico de los parmetros del rayo para latitud tropical. Planteamiento espacio - temporal del fenmeno del rayo. Aplicacin de desarrollos investigativos colombianos (estudios, equipos, datos) a la

promocin de la Normalizacin Tcnica en Colombia. Para consultar toda la norma, se puede visitar el siguiente enlace:

Ver norma NTC 4552 - 2004 IEC 62305

Esta norma puede armonizarse con los resultados de investigacin encontrados en la ltima dcada sobre la actividad elctrica atmosfrica en zona tropical, con base en la hiptesis de investigacin sobre variacin espacio temporal en los parmetros del rayo. Esta norma se estructura en: IEC 62305 1: Principios generales IEC 62305 2: Manejo del riesgo IEC 62305 3: Sistema de proteccin contra rayos IEC 62305 4: Sistemas elctricos y electrnicos dentro de las estructuras IEC 62305 5: Servicios

Para consultar toda la norma, se puede visitar el siguiente enlace:

Ver norma IEC 62305 Finalmente y teniendo en cuenta que por estar dentro de la zona tropical, el pas recibe un mayor nmero de rayos, lo que hace que se deban tomar medidas especiales, entre las que se proponen para mejorar y/o actualizar las normativas en sistemas y equipos de proteccin contra el rayo:


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Edificaciones donde se tenga alta concentracin de personal (ms de 10 personas) deben tener un sistema integral de proteccin contra rayos.

La evaluacin contra rayos debe realizarse con base en el nivel de riesgo al rayo que

presente la zona.

Los diseos deben ser realizados por personas calificadas, incorporando buenas prcticas de ingeniera de proteccin contra rayo y de acuerdo a la normatividad mencionada.

Todos los componentes de la instalacin contra el rayo (terminales de captacin, bajantes,

conector y electrodo de puesta a tierra) deben ser adecuados. Si hay varias bajantes deben estar separadas a ms de 10 m y procurando que estn en la parte externa de la edificacin.

Las normativas de pararrayos deben definir un tipo de instalaciones donde la prioridad sea

la proteccin de las personas y animales. El principio de proteccin de todas ellas es adoptar un sistema pasivo que reduzca la incidencia de rayos en la instalacin, evitando as los posibles daos a causa de la descarga.

Segn los diferentes estudios cientficos, el rayo es la representacin de la saturacin de carga elctrica entre nube y tierra que ha estado causada por dos tipos de electricidad atmosfrica, la positiva y la negativa.

Todo principio de proteccin externa del rayo tiene que evitar este fenmeno elctrico de saturacin atmosfrica (Campo de Alta Tensin), transfiriendo la carga electroesttica a tierra segn aparece durante el proceso de la tormenta sin generar la descarga.

Los equipos diseados como Sistemas de Proteccin Contra Rayos (SPCR), tienen que tener como objetivo prioritario, evitar la formacin e impacto del rayo a tierra en el radio de proteccin definido.

Los Sistemas de Proteccin Contra Rayos (SPCR), tienen que incorporar sistemas que analicen y garanticen la efectividad del sistema, donde el principio de stos sea recoger datos estadsticos que revelaran y analizaran el comportamiento del conjunto de proteccin tierra / aire durante la tormenta, justificando la transferencia de carga del sistema.


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5. CONCLUSIONES

Las nuevas tecnologas de proteccin del rayo se convierten en una necesidad evidente para la proteccin de las personas, animales e instalaciones: comunicacin, audiovisual, maquinaria etc.

La eficacia de un sistema de proteccin contra rayos, se demuestra cumpliendo en el espacio tiempo, el objetivo para lo cual ha sido diseado, la aplicacin en el campo de trabajo avalar su funcionamiento.

Se han creado diferentes mtodos de proteccin contra rayos pero se necesitan formas

de proteccin mejores dado que la tecnologa electrnica actual es cada vez ms sensible. El campo de la investigacin de tormentas elctricas continua siendo muy activo y queda mucho por descubrir.

6. BIBLIOGRAFIA Y WEBGRAFIA

I. GMEZ RENDN, F. E. (2011). Contenido didctico del curso Campos Electromagnticos. Medelln

II. CHRISTIAN, H. J., R. J. BLAKESLEE, AND S. J. GOODMAN. (2004). The detection of lightning from geostationary orbit, J. Geophys.

III. FEYNMAN, LEIGHTON, SANDS. (1993) Fsica Vol II, Addison- Wesley- Longman

IV. WIKIPEDIA. www.wikipedia.org

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