rayos 2

1. Descargas eléctricas atmosféricas

2. Introducción
• Actualmente hay gran dependencia de la
electrónica y de la transmisión de datos.
• Cualquier fallo en un equipo industrial puede
conllevar graves consecuencias económicas.
• Los rayos son los principales causantes de las
sobretensiones que afectan a los equipos.
• Se producen gran cantidad de rayos al día.
• Se debe disminuir el riesgo con las medidas
adecuadas

3. Las capas de la atmósfera
• Troposfera: Llega hasta 10km de altura. Se
producen lluvias, tormentas, vientos,... Es a la que
nos referiremos normalmente.
• Estratosfera: Llega hasta 25km de altura.
• Quimiosfera: Alcanza 80km de altura. Formada
por ozono.
• Ionosfera: Formada por iones.
• Mesosfera: Altura máxima de 1000km.
• Exosfera: A partir de 1000km.

4. Las capas de la atmósfera

5. Las nubes
• Una nube es un conjunto de gotas de vapor de
agua en suspensión. Hay 3 tipos de nubes:
– Estratiformes: Son nubes planas y de poco
espesor.
– Cirriformes: Formadas por cristales de vapor de
agua.
– Cumuliformes: Planas en la parte inferior y con
cúpulas en la superior. Forman las “nubes de
tormenta” (cumuloninbos).

6. La ionización de las nubes
• Las nubes no son eléctricamente neutras, en su
parte inferior tienen carga negativa y en la
superior positiva.
• Las gotas de vapor de agua al ser empujadas por
una fuerte corriente ascendente de aire se cargan
positivamente y el aire negativamente. Se alcanzan
cargas en la nube de hasta 10000V y el aire deja
pasar el exceso de carga negativa producido en la
parte inferior de la nube.

7. La ionización de las nubes

8. Clasificación de los fenómenos
eléctricos atmosféricos
• El rayo es la descarga eléctrica entre nube y tierra
y el relámpago la descarga dentro de la nube.
– Rayo intra-nube: Se produce entre centro de
cargas opuestas dentro de la misma nube.
– Rayo entre nubes: Se da entre centros de
descarga de diferentes nubes.
– Rayo nube-tierra: Es el más dañino y peligroso
pero en menos probable.

9. Parámetros característicos de las
descargas atmosféricas.
• La d.d.p. en el rayo alcanza los 10000 V.
• Se produce una descarga de 200kA aunque puede
variar bastante llegando a los 500kA.
• Se produce gran cantidad de energía.
• Otros parámetros de interés: Nivel ceráunico,
densidad de rayos a tierra, polaridad del rayo,
corriente de pico, gradiente de corriente
• La probabilidad de caída de un rayo aumenta con
la altura, condiciones eléctricas del terreno,...

10. Parámetros característicos de las
descargas atmosféricas.
• La caída de un rayo sobre una línea produce una
sobretensión que se transmite por la misma.
• La carga del rayo se distribuye por debajo del
suelo provocando una gran elevación de potencial.
• Un rayo que cae sobre un pararrayos aumenta el
potencial de tierra a descargar su corriente.
• Proteger contra la caída directa de un rayo no es
rentable ya que solo supone un 5% del total del los
rayos.

11. Parámetros característicos

12. Parámetros característicos

13. Efectos producidos por la caída
de un rayo
• Efectos directos: Caída directa de un rayo. Alta
probabilidad de destrucción total.
• Efectos secundarios:
– La carga electrostática: Carga estática inducida
en las estructuras metálicas inmersas en la
tormenta.
– Los pulsos electromagnéticos: Campos EM
formados por la descarga de corriente a través
del canal de descarga del rayo.

14. Efectos producidos por la caída
de un rayo
– Los pulsos electrostáticos: Se producen por la
variación de campo electrostático en la
tormenta.
– Las corrientes de tierra: Se produce por la
neutralización de cargas cuando cae un rayo a
tierra.
– El sobrevoltaje transitorio: Se produce como
consecuencia de los anteriores y puede causar
graves daños en los equipos.

15. Efectos producidos por la caída
de un rayo
• Formas de acoplamiento de las interferencias
producidas por el rayo.
– Acoplamiento resistivo: Elevación de potencial
en tuberías, cables enterrados,...
– Acoplamiento inductivo: Campo EM inducido
en conductores al descargarse la corriente del
rayo.
– Acoplamiento capacitivo: Se produce en los
transformadores.

16. Protección contra la caída de
rayos
• Facilitar la descarga del rayo en tierra.
• Disminuir efectos secundarios con limitadores de
sobretensión, de sobrecorriente,...
• Hacer una distribución por zonas.
• Establecer los tres niveles de protección:
– Protección primaria.
– Protección secundaria.
– Protección terciaria.

17. Distribución por zonas
• Definir límites entre zonas contiguas.
• Definir condiciones EM para cada zona.
• La zona 0 (exterior) se protegerá con protección
primaria y las demás con protección secundaria y
terciaria (limitadores sobre todo)
• Establecer diferentes zonas disminuyendo cada
vez el riesgo de interferencias.
• Instalar compensadores de potencial al paso de
una zona a otra.

18. Protección primaria
• Su misión es evitar daños en estructuras de
edificios e instalaciones.
• Elementos que la componen.
– Pararrayos: Receptor del rayo.
– Línea de descarga: Línea conductora que
transmite el rayo hasta tierra.
– Toma de tierra: Se encarga de la descarga del
rayo en tierra.

19. Pararrayos
• El pararrayo es un dispositivo metálico para la
captación del rayo para evitar desperfectos en los
edificios o instalaciones.
• Se produce el efecto punta.
• Tipos de pararrayos:
– Pararrayos de puntas: A su vez se subdividen
en los de tipo Franklin, radiactivos, ion-corona
solar y piezoeléctricos.

20. Pararrayos
– Pararrayos de jaula de Faraday: Se recubre el
edificio con una especie de malla metálica
conectada a tierra.
• Las normas tecnológicas de la edificación dicen
donde se debe instalar pararrayos:
– Edificios de más de 43m.
– Lugares con sustancias peligrosas.
– Lugares con índice de riesgo superior a 27.

21. Distribución de cargas

22. Zona de protección

23. Zona de protección

24. Sistemas de puesta a tierra
• Debe tener una resistencia menor de 10 ohmios.
• Consta de:
– Tomas de tierra: Electrodos, picas, conductores
enterrados, mallas conductoras.
– Anillos de enlace: Conductores que unen
electrodos.
– Punto de puesta a tierra.
– Líneas principales de tierra: Conductores que
unen a pararrayos con la toma de tierra.

25. Sistemas de puesta a tierra

26. Protección de torres de
comunicación
• Se puede colocar un pararrayos en la cima y tirar
un cable hasta tierra, pero este cable será largo y
tendrá alta inductancia.
• Otra forma mejor es situar en pararrayos y desviar
la corriente por la estructura de la torre intentando
separar de los cables de radio para evitar
interferencias con los mismos.

27. Protección de líneas de
comunicación subterráneas
• El efecto de protección de tierra depende de la
conductividad de la tierra.
• La corriente de descarga puede penetrar en los
conductores a través del aislante.
• Se produce un potencial en la línea
• Se recomienda el usar cables con doble
apantallamiento.

28. Protección de líneas aéreas
• Las inducciones que se producen en las líneas por
descargas atmosféricas también pueden provocar
fallos en los equipos electrónicos.
• Para la protección de las líneas aéreas se utiliza un
cable de guarda y un apartarrayos.
• Además de esta protección situar limitadores de
sobretensión y sobrecorriente en los lugares
convenientes para mayor seguridad.

29. Ejemplo de protección

30. Protección secundaria
• Se encarga de la protección a nivel de
alimentación. Limita corrientes y tensiones.
• Se requiere reducir los efectos eléctricos y
magnéticos que se producen en la descarga de un
rayo a tierra.
• Los efectos secundarios no son tan obvios como
los directos pero producen graves daños y son más
abundantes.

31. Descargadores o limitadores
• Descargadores de sobrecorriente: Capaces de
conducir las corrientes del rayos sin destruirse.
• Descargadores o limitadores de sobretensión: Se
utilizan para descargar las perturbaciones
introducidas por los rayos. Hay varios tipos de
limitadores que se adaptan a diversas
circunstancias de los equipos.

32. Consideraciones para evaluar un
limitador
• Energía, temperatura, dimensiones, tiempos,...
• Tensiones disponibles.
• Coste por Joule.
• Fiabilidad.
• Que no interfiera con los equipos.
• Debe limitar la sobretensión a un nivel de
seguridad.
• Bajo coste.

33. Evaluación de las condiciones
transitorias de un limitador
• Definir o estimar la forma de onda del transitorio.
• Determinar la máxima potencia a disipar.
• Rapidez de respuesta del limitador.
• Determinar la tensión de limitación del limitador.
• No todos los limitadores cumplen estas
condiciones ni todos los equipos necesitan que las
cumplan. Buscaremos el que mejor se adapte.

34. Tipos de descargadores
• Descargador abierto.
• Descargador abierto de contorneo deslizante.
• Descargador de gas.
• Varistor de oxido zinc.
• Varistor de carburo de silicio.
• Diodo supresor de silicio.
• Diodo supresor de selenio.
• Diodo zener.

35. Protección terciaria
• Se disponen a nivel de tarjeta o componente.
• No está clara la frontera entre la protección
terciaria y la protección secundaria.
• Es aplicable a la líneas de datos, entrada/salida,
comunicaciones internas en equipos electrónicos.
• Conviene montarlos lo más cerca posible de la
unidad a proteger.

36. Circuitos de protección terciaria