UNIVERSIDAD TÉCNICA DE COTOPAXIUNIDAD ACADÉMICA DE CIENCIAS DE LA INGENIERÍA Y APLICADAS

INGENIERÍA ELÉCTRICA

DISEÑO DE ALTO VOLTAJE

CICLO: Séptimo

PARCIAL: Tercero

INTEGRANTES: Daniel Mejía

Victor Yugcha

FECHA DE ENTREGA:

1. TEMA:

Diseño de apantallamiento de la Iglesia del Barrio “El Calvario” para protección de

descargas atmosféricas.

2. OBJETIVO GENERAL: Diseñar la malla de Puesta a Tierra de la Iglesia mediante la aplicación

de los conocimientos obtenidos e investigación en diferentes textos para

protegerla de descargas atmosféricas.

3. OBJETIVOS ESPECÍFICOS: Determinar qué elementos se deben utilizar en una malla de puesta a

tierra.

Conocer cuál es la resistividad adecuada del suelo para realizar una

malla de puesta a tierra.

Identificar los diferentes tipos de malla utilizados en las construcciones.

Elaborar un informe acerca del diseño de un pararrayos para zonas con

regular actividad de descargas atmosféricas.

4. MARCO TEÓRICO4.1. Descarga atmosféricaLa definición para descarga atmosférica encontrada en el diccionario de la Real

Academia Española es “Chispa eléctrica de gran intensidad producida por una

descarga entre dos nubes o entre una nube y la tierra”. Por otra parte en

electricidad se entiende por descarga atmosférica como el paso de un flujo de

intensidad eléctrica de un punto a otro.

Una descarga se da cuando las cargas entre las nubes se separan generando que

el aire se ionice y se logra vencer la constante dieléctrica por lo que permite el

paso de la descarga. La intensidad de corriente que proviene de la descarga es

muy variable, alrededor de la mitad de las descargas que llegan a tierra poseen18

kA, sin embargo existe alrededor de un 10% de las descargas que poseen hasta

65 kA.

FIG. 1 Promedio de intensidad de corriente por las descargas eléctricas.

El rayo es la unión violenta de las cargas positivas y negativas, constituyendo una

descarga eléctrica a través de gases de baja conductividad, las descargas pueden

ocurrir de nube a nube o de nube a tierra. Éstas últimas son a las que nos

referiremos por ser las que provocan daños en tierra. Usualmente las nubes están

cargadas negativamente en su base y positivamente en su parte superior. Por

inducción electrostática la tierra resultará positivamente.

Se establece así una diferencia de potencial enorme, produciéndose el rayo

cuando se rompe la rigidez dieléctrica del aire. Simultáneamente con el rayo se

produce la luz (relámpago) y sonido (trueno).

FIG. 2 Cargas positivas y negativas entre las nubes y tierra.

4.2. El principal método de protección contra estas descargas se llama pararrayos, a ese elemento se le asignan las funciones:

Capturar el rayo en la terminal aérea, la punta es el elemento diseñado para

ese propósito.

Disipar la energía de un sistema de terminales aterrizado.

Desviar la energía recibida por parte de la descarga a tierra, mediante un

sistema de conductores que guía la energía por una baja impedancia.

4.3. Frecuencia aceptada de rayos en una estructura (Nc)Frecuencia máxima promedio anual tolerable de rayos que puedan causar daños

Dichos valores serán definidos por las autoridades pertinentes en caso de haber

riesgo de vidas humanas, culturales y sociales. Mientras que el propietario o

diseñador podrá establecer dicho valor cuando las pérdidas solo estén

relacionadas con los bienes o la propiedad privada.

La malla de tierra es un conjunto de conductores desnudos que permiten conectar

los equipos que componen una instalación a un medio de referencia, en este caso

la tierra. El objetivo fundamental del sistema de protección contra descargas

atmosféricas es el de brindar resguardo a una estructura contra daños físicos y

lesiones a los seres vivos debido a los voltajes de toque y a los voltajes de paso.

Tres componentes constituyen la resistencia de la malla de tierra:

La resistencia del conductor que conecta los equipos a la malla de tierra.

La resistencia de contacto entre la malla y el terreno.

La resistencia del terreno donde se ubica la malla.

FIG.3 Iglesia de El Calvario

La distancia del edificio con respecto al sitio donde se entierre el electrodo, no

debe ser inferior a 2,50 metros

La resistencia a tierra en cualquier punto del sistema, no debe ser mayor a 10

ohms, para lo cual en caso necesario, se implementarán arreglos de electrodos en

Delta y/o un agregado de elementos químicos para reducir la resistividad del

terreno. El radio de acción en superficie de un pararrayos es del orden de dos

veces la altura que se encuentren. A mayor altura, más número de rayos va a ser

capaz de "atraer" y evitar así que lleguen al suelo.

Una malla de tierra puede estar formada por distintos elementos:

Una o más barras enterradas.

Conductores instalados horizontalmente formando diversas

configuraciones.

Un reticulado instalado en forma horizontal que puede tener o no barras

conectadas en forma vertical en algunos puntos de ella.

FIG. 4 Configuración general de una malla de puesta a tierra

Las barras verticales utilizadas en la construcción de las mallas de tierra reciben el

nombre de barras copperweld y están construidas con alma de acero revestidas

en cobre. El valor de la resistencia de una malla de tierra depende entre otros

parámetros de la resistividad del terreno. El método más usado para determinar la

resistividad del terreno es el de Schlumberger, el cual permite determinar las

capas que componen el terreno, como también la profundidad y la resistividad de

cada uno de ellos.

4.1. Objetivos de una mallaLos objetivos fundamentales de una malla de tierra son:

Evitar tensiones peligrosas entre estructuras, equipos y el terreno durante

cortocircuitos a tierra o en condiciones normales de operación.

Evitar descargas eléctricas peligrosas en las personas, durante condiciones

normales de funcionamiento.

Proporcionar un camino a tierra para las corrientes inducidas. Este camino

debe ser lo más corto posible.

En todos los casos, la sección del electrodo debe ser tal que ofrezca menor

resistencia que la del conductor de las líneas principales de tierra. Puesto que

la resistencia del electrodo depende de su forma, de sus dimensiones y de la

resistividad del terreno, podemos usar como una primera aproximación los

valores de la siguiente tabla.

Naturaleza del terreno Resistividad media, ρ a(Ω x m)

Terrenos cultivables fértiles y terraplenes húmedos

50

Terrenos cultivables poco fértiles y terraplenes

500

Suelos pedregosos desnudos y arenas secas

3000

Tipo de electrodo Resistencia de Tierra (Ω )

Placa vertical R = 0.8 x ρ a /P

Pica vertical R= 2 x ρ a /L

Conductor enterrado horizontalmente R=2 x ρ a / L

ρ a = resistividad media del terreno (Ω x m)P = perímetro de la placaL = longitud de la pica o cable (m)

4.4. Un Sistema de Protección contra Tormentas Eléctricas (SPTE) está integrado de 4 elementos

Terminales aéreas.

Conductores de bajada.

Electrodos de puesta atierra (SPT)

• Unión Equipotencial (UE)

Es evidente que un SPTE sea parte integral del proyecto de instalación eléctrica

de una estructura, edificio o instalación; en este caso la instalación de este

sistema se encargará de la protección contra descargas atmosféricas a los

asistentes al Templo religiosa de la iglesia del Barrio El Calvario, así como

también a los que se encuentren realizando actividades religiosas junto a la

iglesia. La ubicación de este sistema debe ser en el punto más alto de la zona que

se desea proponer por lo que estará ubicado en las puntas más altas de la iglesia.

El método de las esferas rodantes consiste en una manera para ubicar las puntas

de los pararrayos, consiste en el posicionamiento de las puntas captadoras. Las

esferas deben ser ubicadas de manera que nunca coincidan con ninguna parte de

la estructura, la esfera estará soportada por un elemento del sistema de captación.

5. ANALISISRealizaremos el apantallamiento de la iglesia central del Barrio “El Calvario”

ubicado en la parroquia de Tanicuchi del Cantón Latacunga de la Provincia de

Cotopaxi y las áreas a ser protegidas serán las siguientes:

Estructura principal (salón, vestuario, santuario, confesionario).

Jardines

Parte exterior de la iglesia.

FIG. 5 Fachada principal de la Iglesia del Barrio “El Calvario”

Se tomarán en cuenta algunos factores importantes para el diseño del sistema de

protecciones contra descargas atmosféricas de esta iglesia. Es importante

mencionar que fue un diseño mucho más complicado de lo normal, ya que no

existía ninguna referencia de la iglesia por lo que se tuvo que indagar en internet y

archivos para poder obtener datos que nos pudieron ayudar con el proyecto,

incluso en algunas oportunidades se apeló a técnicas manuales para recopilar

datos importantes para realizar este trabajo.

Como no se tenían datos ni planos de la iglesia del Barrio “El Calvario” se procedió

a realizar el plano de forma autóctona en AutoCAD mediante una imagen de la

iglesia vista desde la parte frontal, por lo que se obtuvo una vista idéntica y

perfecta de la iglesia. Así pudimos tener una visión más exacta y poder tener una

idea de la ubicación de los componentes protectores de los rayos, entiéndase los

pararrayos.

El primer paso del proyecto fue obtener las mediciones del área que se tiene

pensado cubrir o proteger mediante los dispositivos de protección mediante la

colaboración de los estudiantes de ingeniería eléctrica de la Universidad Técnica

de Cotopaxi como son el Señor Daniel Mejía y Victor Yugcha y así pudimos

obtener las siguientes medidas:

La parte frontal tiene una dimensión de 4 metros.

Su altura es de 6 metros.

El ancho de la iglesia es de 12 metros.

Su área total es de 48 metros (debido a que es una iglesia de un barrio x eso es

pequeña).

Posteriormente se hace una evaluación de los techos para saber si cumplen las

normas de inclinación para la colocación de los dispositivos puntas Franklin en ese

sector, a que el ángulo de inclinación con respecto a la horizontal debe ser menor

a 45 grados para poder cumplir con la teoría de las esferas rodantes y así

colocarle el dispositivo que cubra el sector deseado. Así posterior a ello vemos en

la figura siguiente que le ángulo de inclinación del techo es menor a 45° por lo que

la utilización de la punta Franklin es la correcta para proteger esta iglesia y sus

elementos aledaños.

FIG. 6 Inclinación del techo de la iglesia < a 45°

Se observó que las torre claramente es el punto más alto de la estructura, por lo

que se debía colocar un pararrayos en esos sitios, posteriormente se iniciaba la

ubicación de los pararrayos en las esquinas de cada techo para empezar el

encubrimiento de la iglesia con las puntas tipo Franklin. Debido al área, la

estructura diseñada, se ubicarán 2 puestas a tierra una en cada lado de la

estructura a excepción de la parte frontal.

A continuación, se puede observar el nuevo diseño de la estructura con la

ubicación de los pararrayos con punta de Franklin

FIG. 7 Estructura con el apartarrayos

FIG. 8 Plano de la iglesia con el pararrayos

Además de ello también podemos ver el conductor de bajada (rojo) hacia las

varillas Copperwell (azul).

El primer dispositivo que se determinó fueron las bases para las puntas de

Franklin, ya que pueden ser horizontales o verticales en caso de que el pararrayos

deba ir ubicado en alguna pared, sin embargo en nuestro caso, la Iglesia posee

todos su pararrayos en el techo por lo que solo necesitamos bases horizontales

las cuales son escogidas del tipo 60, por el tipo de techo, ya que este tipo de base

es fácil de instalar en latas de zinc y no presentará ningún inconveniente para ser

ubicada.

FIG. 9 Base tipo 60 para puntas de Franklin

Para sostener los cables conductores se utilizarán gazas de tipo lazo 121 A, ya

que se adhieren perfectamente a la superficie y mantiene un conductor de este

calibre bien adherido.

FIG. 10 Gazas de tipo lazo 121

Conector de cable a varilla tipo copperweld será de 28U que cumple con las

medidas respectivas para un cable número 2 y una varilla 577.

FIG. 11 Conector de varilla

5.1. CALCULO.La frecuencia anual promedio de rayos directos a una estructura (No), puede

calculase mediante la siguiente ecuación:

Dónde:

No = frecuencia anual promedio de rayos directos a una estructura.

Ng = densidad promedio anual de rayos a tierra por Km² (DRT).

Ae = área equivalente de captura de la estructura en m².

Otro parámetro a utilizar es Nd, que es la frecuencia anual permitida de rayos

directos a una estructura y se clasifica dependiendo a su uso y contenido definidos

en la tabla siguiente:

5.2. Las áreas equivalentes de captura se clasifican y se calculan de la forma siguiente:

Para una estructura grande ubicada en terreno plano, con techo y dos o más

edificaciones contiguas tenemos la siguiente formula:

Dónde:

a= longitud de uno de los lados de la estructura en metros. (4m)

b= longitud del otro lado de la estructura en metros. (12m)

h= altura de la estructura en metros. (6m)

Ae= 4*12 + 6*6(4+12) + 9π*36

Ae= 1641,8 m2

Una vez calculada el área equivalente de captura se calcula el valor de la

frecuencia promedio anual de rayos directos a una estructura.

Y realizamos el cálculo del valor de la frecuencia promedio anual de rayos directos

a una estructura:

No= 5 * 1641,8 m2*10-6

No= 0,08

Una vez determinado el valor de No se debe comparar con el valor de la

frecuencia media anual permitida Nd para evaluar la necesidad de protección,

considerando lo siguiente:

No (0,08 ) > Nd (0,02):

Esto quiere decir que en la iglesia se debe aplicar un SEPTE para salvaguardar la

integridad física de las personas que se encuentre en la iglesia y los equipos

instalados en la infraestructura.

5.3. DISEÑOEl diseño está basado en el método de la esfera rodante, el cual consiste en rodar

una esfera imaginaria sobre tierra, alrededor y por encima de la instalación a

proteger o cualquier otro objeto en contacto con la tierra siendo capaz de actuar

como un punto de intercepción de la corriente de rayo.

Es necesario seleccionar el nivel de protección a utilizarse según la Norma

Técnica NMX-J-549-ANCE-2005 para la altura y ubicación de las terminales

aéreas, tal y como se muestra en la tabla de niveles de protección

Debido a las características de la estructura de la iglesia se asemeja a un centro

de reuniones y del equipo a proteger, se ubica el nivel de protección recomendado

en el nivel II; considerando que la estructura es de concreto y cuenta con

elementos metálicos salientes. Una vez ubicado el nivel de protección se puede

determinar el valor de:

5.4. La corriente de rayo i(Kv).- El radio la esfera rodante rs (m) a través de la tabla siguiente de niveles de Protección:

De la tabla anterior se obtiene valor de:

5.5. La corriente de rayo mínima para nuestra protección de 6 [KA]. Y un radio de nuestra esfera igual a 30 [m].

Para determinar el número y la ubicación de puntas a colocarse es necesario

aplicar en método de la esfera rodante como se observa en la figura siguiente en

donde el número de puntas se basa en un criterio técnico.

FIG. 11 Iglesia con el sistema de las esferas

Para la selección de las dimensiones de las terminales aéreas se toman en cuenta

las medidas sugeridas por la Norma Oficial Técnica Mexicana NMX-J-549-ANCE-

2013 para terminales aéreas en SEPTE no aislado, a partir de la tabla siguiente.

El parámetro H[m] es la altura real del pararrayo arriba por encima de la superficie

a proteger, y mediante la siguiente fórmula se puede determinar el radio de

protección de la punta.

D = diámetro de la esfera

H = altura del mástil (captor).

= Incremento de la longitud del piso al mástil (captor) (6m)

Y un radio de nuestra esfera igual a 30m.

Fig.12 Diámetro de la esfera de 60m.

Altura del mástil (captor) 2m

Fig. 13 Mástil o Captor

Rp= √2(2*60-2)+6(2*60+6)

Rp= √2(118)+6(126)

Rp= √(236)+(756)

Rp= √992

Rp= 31,49m

La punta recomendable dentro de los parámetros técnicos para protección de la

iglesia a 31,49m es la punta “Prevectron 2” que tiene la capacidad de proteger a la

altura calculada

FIG. 14 Punta del pararrayos Prevectron 2.

FIG. 15 Iglesia con el pararrayos colocado

5.6. Calculo de la sección del conductorDe la tabla de onderdonk, considerando condiciones soldables y una falla con

duración a los 0,1 segundos tenemos que el calibre mínimo recomendado para

evitar la fusión del cable se determina con la constante 6,5 mm2/KAmp por lo que

la sección mínima del conductor se calcula con la siguiente fórmula para

conductores de sistemas de puesta a tierra.

Dónde:

S = Sección del conductor en cm

Kon = Constante de onderdonk

S = Icc * Kon

S = 6KA * 6, 5 mm2/Kamp

S = 39 mm2

En base a la tabla esta sección corresponde a un conductor 1 AWG

5.7. Determinación de la corriente de corto circuito de falla a tierra

Icc = potencia KV/voltaje

Icc = 20KVA/110V

Icc = 181,81

La corriente de falla calcula es 181,81 A y vista en la tabla de calibres de

conductores corresponde a un calibre 1 aproximado que se relaciona en base al

cálculo de la sección del conductor.

6. DESCRIPCIÓN PARARRAYOS INGESCOModelo: PDC 6.3Alta energía de disipación. Ionizante.

Doble cebado para onda de rayo 10/350 us. Para un radio de cobertura hasta 102

metros de radio. Incluye pieza de adaptación para cable 2/0,1/0 o inferior.

7. ANÁLISIS ECONÓMICOLos costos de inversión tienen que ver tanto con los costos de los equipos de

protección y su respectiva instalación, como el costo que representa el diseño

como tal. En este caso específico, nos interesa conocer los precios de los equipos

y la instalación de los mismos.

Es importante notar que los precios de materiales y equipos, varían debido a los

cambios de precios que se producen en el mercado nacional e internacional; por lo

que los precios presentados tienen el carácter de referenciales.

CONCEPTO Unidad cantidad P. unitario (usd)

P. total (usd)

Pararrayo INGESCO u 2 350 700

Conductor Cu desnudo semiduro #1 AWG 7 hilos

m 10 2.50 25

Tablero de revisión u 1 15 15

Varilla copperweld 1,80m u 2 15 30

Gel químico 12.5 Kg 1 5 10

Mano de obra u 2 30 60

Dirección Técnica u 2 50 100

Otros u 2 10 20

total 960

96012% 115,20 TOTAL (IVA) 1075.20 (usd)

8. CONCLUSIONES:

Las descargas atmosféricas no se pueden evitar, ya que son fenómenos

naturales incontrolables y lo único que se puede hacer es guiarlos por un

camino seguro a tierra.

Se concluye que el sistema de protecciones para una iglesia es de vital

importancia por cuanto ayuda a sobreproteger los equipos instalados en la

edificación

El cálculo es la base teórica de este sistema que debe ser el respaldo a

establecer en este sistema.

Todos los materiales calculados son reales y óptimos para su utilización

cabe mencionar que también el cálculo se basa en tablas.

Toda instalación eléctrica debe poseer una conexión a tierra ya que de esta

manera estamos sofisticando y protegiendo un sistema eléctrico

conjuntamente con sus aparatos y equipos que están junto a ellos

La distancia de seguridad en exteriores es de vital importancia ya que la

energía eléctrica posee un campo magnético lo cual al hacer contacto con

tierra o entre las dos fases o al ser humano ocasiona daños lo cual en base

a criterios se disponen las medidas de seguridad en un instalación eléctrica

9. COMENTARIO:Las puestas a tierra son de mucha importancia para evitar pérdidas humanas y

materiales, por ende con un buen estudio y colocación de los apantallamientos

estamos previniendo daños y perjuicios, por lo tanto este estudio se convierte en

un documento de gran importancia para el aprendizaje y conocimiento de los

sistemas de protección de varios lugares contra los rayos.

Antes de ubicar un sistema de protección es importante informarse de las

principales características de la zona a proteger, ya que en varias ocasiones las

características del área seleccionada determinan los dispositivos a utilizarse.

9. BIBLIOGRAFIA[1] [4] IEEE Std 1100. Recommended Practice for Powering and Grounding

Sensitive Electronic Equipment, 1992.

[2] López, E. “Puestas a tierra y protección contra descargas atmosféricas”,

Proyecto Eléctrico, Escuela de Ingeniería Eléctrica, Universidad de Costa Rica,

2005.

[3] ETA ELECTRO, Diseño de puestas a tierra BAW

[4] CHAI Edgar, Análisis de sobretensiones En edificaciones urbanas, Universidad

de San Carlos de Guatemala, Facultad de Ingeniería, Escuela de Ingeniería

Mecánica Eléctrica, Abril 2008.

[5] IEEE Power & Energy Society Surge Protective Device Committe."Terms

Glossary: Clamping Voltaje"

[6] http://books.google.com/books