Características Gen. de los Rayos.ppt

1. Tema: Protección contra
sobretensiones externas
El rayo
1

2. 2
•De origen interno,
debido a cambios en el
estado estable de
operación de la red
•De origen externo,
debido a las descargas
eléctricas atmosféricas
Tipos de
sobretensiones
transitorias

3. 3
•Son producto de fallas
y operaciones en el
sistema
•Su magnitud depende
de la cantidad de
energía almacenada en
los campos eléctrico y
magnético de la línea
Sobretensiones
internas

4. 4
LIMPIEZA DE UNA FALLA LEJOS DEL INTERRUPTOR

5. 5
INTERRUPCIÓN DE UN CIRCUITO ALTAMENTE INDUCTIVO

6. 6
• Por la incidencia
directa del rayo
sobre la instalación
• Por inducción
Sobretensiones
debido a descargas
eléctricas
atmosféricas

7. 7
Magnitud de la
sobretensión BIL
<
Da lugar a una onda
viajera que se transmite a
lo largo de la línea en los
dos sentidos

8. 8
INTRODUCCIÓN
Magnitud de la
sobretensión BIL
>
Se producirán fallas en el
aislamiento con la
consiguiente interrupción
en el servicio

9. 9
• Se consideran sobretensiones de frente
rápido, pues alcanzan su valor máximo entre
los 0,1 y 20 s y decaen al 50 % de su valor
máximo en tiempos menores de 300 s. En
la simulación de estas sobretensiones se
emplea la onda de 1,2/50 s normalizada por
la IEC
Sobretensiones externas

10. 10
INTRODUCCIÓN
• Son más peligrosas en cuanto a su magnitud
en los sistemas eléctricos hasta 275 kV.
Donde, junto a la contaminación ambiental
definen el nivel de aislamiento
• Para tensiones superiores también es
necesario considerarlos, tanto por su
magnitud como por la razón de crecimiento y
su efecto sobre los diferentes equipos
instalados en los sistemas eléctricos
Sobretensiones externas

11. ANTECEDENTES
HISTÓRICOS
11

12. 12
ANTECEDENTES HISTÓRICOS
Es quizás el
fenómeno
meteorológico más
admirado, temido y
estudiado por las
diferentes culturas a
través de los siglos,
siendo objeto de
innumerables mitos
y leyendas

13. 13
ANTECEDENTES HISTÓRICOS
VIKINGOS:
pensaban que el
causante era Thor

14. 14
ANTECEDENTES HISTÓRICOS
GRIEGOS:
creían que eran
producidos
por Zeus

15. 15
ANTECEDENTES HISTÓRICOS
•ROMANOS: lo atribuían a Júpiter
•HINDÚES Y ARAUCANOS: le
atribuyeran al rayo y el trueno un
origen divino, ya sea como
castigo o señal

16. 16
ANTECEDENTES HISTÓRICOS
Dos de sus renos
fueron llamados
Donner (trueno)
y Blitzen (rayo)

17. 17
ANTECEDENTES HISTÓRICOS
En nuestros tiempos se identifica
al rayo como un fenómeno
natural cuya presencia se
registra desde mucho antes de
la presencia del hombre en la
tierra y según algunas teorías
está relacionado con el origen
mismo de la vida

18. 18
ANTECEDENTES HISTÓRICOS
Benjamín Franklin, a mediados del siglo
XVIII realizó los primeros
experimentos que mostraron la
semejanza entre el rayo y las chispas
eléctricas observadas en laboratorios;
probando la naturaleza eléctrica de
los rayos. Además concluyó que la
parte baja de las células de tormenta
eléctrica están generalmente
cargadas negativamente

19. Franklin demostró la
influencia de la
conexión a tierra de
un conductor y del
aislamiento. Analizó
lo que sucedía en un
conductor en forma
de punta conectado
a tierra, creando el
pararrayos
19
ANTECEDENTES HISTÓRICOS

20. 20
ANTECEDENTES HISTÓRICOS
1823: Se crea una comisión de “notables” de la
Academia de Ciencias de Francia, con el
objetivo de mejorar el pararrayos de
Franklin y escribir un informe con
recomendaciones sobre la protección de
edificios contra descargas eléctricas
1879: Aparición el libro titulado “Pararrayos, su
historia, naturaleza y modo de aplicación”,
que sustituye el estudio de 1823
utilizándose como referencia hasta en la
actualidad

21. 21
ANTECEDENTES HISTÓRICOS
Siglo XIX: En Alemania, se miden las
corrientes de los rayos
analizando el campo magnético
inducido
Siglo XX: Se postulan teorías sobre la
separación de cargas en las
tormentas eléctricas

22. CARACTERÍSTICAS
GENERALES DE
LOS RAYOS
22

23. 23
CARACTERÍSTICAS GENERALES DE LOS RAYOS. GENERALIDADES
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CARACTERÍSTICAS GENERALES DE LOS RAYOS . GENERALIDADES
Proceso de
acumulación de cargas
Aumento del potencial hasta
alcanzar unos 10 kV/cm
Puede iniciar un proceso de ionización y con
ello el desarrollo de un rayo

25. 25
EFECTO DEL CAMPO ELÉCTRICO DE LA TIERRA
En todo momento hay cerca de 2000 tormentas
eléctricas sobre la tierra
100 rayos por segundo
Lo convierte en el principal regulador del balance
calorífico del planeta, además de ser un gran
fijador del nitrógeno en el suelo, necesario para la
vida vegetal y un recuperador del ozono en el aire
CARACTERÍSTICAS GENERALES DE LOS RAYOS. CAMPO ELÉCTRICO DE LA TIERRA

26. 26
CARACTERÍSTICAS GENERALES DE LOS RAYOS. ACUMULACIÓN DE CARGAS EN LAS NUBES
¿CÓMO SE GENERAN LAS CARGAS
ELÉCTRICAS EN LA ATMÓSFERA?

27. 27
CARACTERÍSTICAS GENERALES DE LOS RAYOS. ACUMULACIÓN DE CARGAS EN LAS NUBES
La acción directa de las radiaciones de la tierra
(radiactividad natural), el sol y los rayos
cósmicos sobre moléculas del aire
Ionización de las moléculas del aire
Origina la carga eléctrica de la atmósfera y al
producirse grandes acumulaciones de nubes se
produce una separación de cargas que dan lugar a
los centros de carga donde se han de desarrollar
los rayos

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CARACTERÍSTICAS GENERALES DE LOS RAYOS. ACUMULACIÓN DE CARGAS EN LAS NUBES

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SEPARACIÓN DE CARGAS DEBIDO AL EFECTO DEL CAMPO
ELÉCTRICO, EN EL INTERIOR DE UNA GOTA DE
AGUA QUE CAE
CARACTERÍSTICAS GENERALES DE LOS RAYOS. ACUMULACIÓN DE CARGAS EN LAS NUBES

30. 30
CARACTERÍSTICAS GENERALES DE LOS RAYOS. TIPOS DE RAYOS
Tipos de
rayos
• En bola o esferoidales
• Lineales
• Entre regiones cargadas de una
misma nube o entre nubes
• Entre nube
y tierra
(30%-40%)
• Líder escalonado
descendente negativo
• Líder escalonado
descendente positivo
• Líderes escalonados
ascendentes

31. 31
CARACTERÍSTICAS GENERALES DE LOS RAYOS. TIPOS DE RAYOS

32. 32
CARACTERÍSTICAS GENERALES DE LOS RAYOS. TIPOS DE RAYOS

33. 33
CARACTERÍSTICAS GENERALES DE LOS RAYOS. TIPOS DE RAYOS

34. 34
CARACTERÍSTICAS GENERALES DE LOS RAYOS. TIPOS DE RAYOS
Los rayos más estudiados
son los nube-tierra pues
son los que producen el
mayor daño; y además es
más fácil medir sus
características

35. 35
CARACTERÍSTICAS GENERALES DE LOS RAYOS. TIPOS DE RAYOS
ALGUNOS PARÁMETROS DE LOS RAYOS
• Corriente: Menos de 30 kA ~ 50 % del total
Máximo valor aproximado 400 kA
• Cambios rápidos de corriente en la etapa
inicial que generan fuentes de radiación de
alta frecuencia (109
Hz)
• El valor promedio de la potencia generada
en una descarga puede llegar a 50 MW
• La potencia disipada electromagnéticamente
en el momento de la descarga puede llegar a
5 GW

36. 36
CARACTERÍSTICAS GENERALES DE LOS RAYOS. TIPOS DE RAYOS
RAYOS DE LÍDER ESCALONADO DESCENDENTE NEGATIVO
1. La concentración de carga local en una
región de la nube hace que el gradiente de
potencial alcance la tensión de
rompimiento del aire
2. Avalanchas de electrones se aceleran y
dan origen a una zona de ionización que se
propaga en una dirección (líder del rayo)
3. El líder avanza a una velocidad de 1/6 la
velocidad de la luz entre 50 y 60 m,
haciendo un alto y emitiendo en su cabeza
un haz de luz de gran brillantez

37. 37
CARACTERÍSTICAS GENERALES DE LOS RAYOS. TIPOS DE RAYOS
RAYOS DE LÍDER ESCALONADO DESCENDENTE NEGATIVO
4. Transcurridos unos 50 S, ya de nuevo el
gradiente de tensión es suficiente,
desarrollándose un nuevo proceso
5. A medida que el extremo de la descarga se
aproxima a la tierra aumenta el número de
cargas positivas inducidas en la superficie
6. La carga inducida sobre la tierra u objetos
crea un gradiente que causa el
rompimiento del aire, comenzando a
desarrollarse otro líder, de carga contraria,
que avanza en busca del líder descendente

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CARACTERÍSTICAS GENERALES DE LOS RAYOS. TIPOS DE RAYOS
RAYOS DE LÍDER ESCALONADO DESCENDENTE NEGATIVO
7. Al establecerse el contacto se forma un
paso altamente ionizado a través del cual
fluye una alta corriente
8. Se mantiene circulando una corriente entre
los 100 y 1000 A por espacio de 20 ms, la
que mantiene el paso con un alto grado de
ionización; permitiendo que de otro centro
de carga de la nube se desarrolle otro líder
que dará lugar a un nuevo rayo

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CARACTERÍSTICAS GENERALES DE LOS RAYOS. TIPOS DE RAYOS

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CARACTERÍSTICAS GENERALES DE LOS RAYOS. TIPOS DE RAYOS

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CARACTERÍSTICAS GENERALES DE LOS RAYOS. TIPOS DE RAYOS
RAYOS DE LÍDER ESCALONADO DESCENDENTE POSITIVO
Se desarrollan partir de la
parte de la nube cargada
positivamente y se
caracterizan por una mayor
amplitud y duración de la
corriente y por ausencia de
descargas consecutivas

42. 42
CARACTERÍSTICAS GENERALES DE LOS RAYOS. TIPOS DE RAYOS

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CARACTERÍSTICAS GENERALES DE LOS RAYOS. TIPOS DE RAYOS

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CARACTERÍSTICAS GENERALES DE LOS RAYOS. TIPOS DE RAYOS
RAYOS DE LÍDER ESCALONADO ASCENDENTE
• Ocurren en regiones elevadas o en objetos
de gran altura
• La descarga guía comienza desde altas
concentraciones de cargas en la tierra u
objetos en tierra, hacia arriba
• Se caracterizan en la fase de descarga
principal, por una mayor duración y una
menor amplitud de la corriente
• En las descargas consecutivas el líder se
desarrolla de la nube a la tierra tal y como
un rayo de líder descendente

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CARACTERÍSTICAS GENERALES DE LOS RAYOS. TIPOS DE RAYOS