PUESTA A TIERRA DE ESTRUCTURAS
Objetivos
El objetivo de este artículo es divulgar conocimiento al menos en forma general del fenómeno de descargas atmosféricas en las estructuras de telecomunicaciones y otras similares como ser las estructuras de soporte de paneles fotovoltaicos. De esta manera tomar recaudos para reducir al mínimo posible los efectos dañinos tanto en personas como en equipos. No es la idea difundir las normativas ni analizar profundamente la física de las descargas atmosféricas sino entender que ocurre y cómo se comporta una instalación de telecomunicaciones o de energía renovable al estar expuesta al impacto de un rayo. Este artículo es aplicable a instalaciones de telecomunicaciones (mástiles, pedestales y torres con antenas) y pequeñas aplicaciones de energías renovables como ser paneles solares, y pequeños eólicos. No aplica a grandes parques solares o generadores eólicos de gran envergadura, ya que ese tipo de instalación requiere de protecciones específicamente desarrolladas para tal fin. De todos modos, los conceptos generales siguen siendo válidos.
Conclusión
Luego de desarrollar el tema llegaremos a la conclusión QUE NO SE PUEDE EVITAR EL IMPACTO DE UN RAYO NI REDUCIR SU CORRIENTE SOLO SE PUEDE DERIVAR DICHA CORRIENTE HACIA DONDE CAUSE MENOS DAÑO, ESTA ES LA ÚNICA FUNCIÓN DE LAS INSTALACIONES DE PROTECCIÓN CONTRA RAYOS QUE AQUÍ SE DESCRIBEN.
Recomendaciones muy importantes
TODAS LAS ESTRUCTURAS METÁLICAS QUE PUEDAN SER TOCADAS POR PERSONAS O ANIMALES DEBEN ESTAR PUESTAS A TIERRA, SIN EXCEPCIÓN.
Nunca usar una estación de radioaficionado durante una tormenta eléctrica. También debe desconectarse la antena cuando no se usa la estación.
Como se produce la electricidad estática que tarde o temprano termina impactando en nuestras estructuras.
En los párrafos siguientes se resumen algunos conceptos que son importantes entender para el propósito de este artículo. Si bien forman parte de estudios de meteorología que es la ciencia que estudia los elementos atmosféricos, y también de climatología que estudia las condiciones de la atmósfera en distintas zonas y épocas del año, este pequeño resumen ayuda al lector a tener al menos un fundamento acerca del origen de las descargas eléctricas que tanto nos preocupan.
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El circuito eléctrico global Consideremos la tierra como un gigantesco capacitor esférico, la parte de adentro es la superficie de la tierra y a su alrededor, una superficie conductora que es la ionósfera. La ionósfera está formada por distintas capas cuya presencia y altura es variable con la fecha, la hora y la actividad solar. Esta variación es fundamental en meteorología y en el estudio de propagación en HF, pero a los efectos del circuito eléctrico global para este artículo, es aceptable considerar una única capa ionizada y conductora ubicada a aproximadamente 100 Km de la superficie terrestre. En la imagen de la izquierda se muestra la tierra y la ionósfera en escala real.
Entre la superficie terrestre y la ionósfera, para este modelo se considera que existe un dieléctrico con pérdidas que es la atmósfera. En las zonas de buen tiempo la tierra tiene cargas negativas y la ionósfera cargas positivas. El concepto de “buen tiempo” se refiere a que no llueve ni hay tormentas. También se asume que la gran mayoría de la superficie de la tierra tiene “buen tiempo” y solo en algunas regiones hay “mal tiempo” (es decir llueve o hay tormentas). Ya dijimos que el aire de la atmósfera es el dieléctrico de este capacitor, y es un dieléctrico real (no perfecto) ya que tiene algo de conductividad debida a ionización en la zona más alta y a actividad radioactiva en las capas cercanas al suelo (por el radón que contiene el aire). De más está decir que los niveles de radioactividad del aire son bajísimos, pero suficientes para permitir una cierta conductividad en las capas más cercanas al suelo donde casi no existe ionización. La carga positiva existe también en el aire debido a pequeñas partículas (en la jerga de la climatología se las llama aerosoles). Estas partículas son relativamente inmóviles (en comparación con las moléculas de aire debido al gran tamaño y la gran inercia que tienen). A estas partículas de aerosoles cargados se los conoce como "iones grandes". La densidad de carga espacial positiva de los aerosoles es más alta cerca del suelo.
En las zonas de buen tiempo el campo eléctrico debido a la diferencia de potencial entre estos iones grandes y el suelo es de entre 100 y 300 V/m. Aquí surge la pregunta: ¿Por qué no nos electrocutamos si una persona de 1.7 m de alto en un campo de 200V/m tendría una diferencia de potencial de 340V entre cabeza y pies?
El motivo por el cual no nos electrocutamos es porque la resistencia eléctrica que presenta cualquier ser vivo es muchísimo menor que la conductividad del aire, es decir somos un cortocircuito para ese campo eléctrico.
En zonas de mal tiempo ocurre que en general el piso tiene cargas positivas y la parte de abajo de las nubes carga negativa. En esos casos el campo eléctrico puede ser mayor a 1000 V/m.
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Ya dijimos que el aire de la atmósfera es un dieléctrico real, por lo tanto algo conduce. Entonces, si tenemos la tierra negativa (en las zonas de buen tiempo) y la ionósfera positiva, habrá una circulación de corriente.
La conductividad del aire es más o menos constante en toda la tropósfera con un valor de aproximadamente 2 x 10-14 Siemens/m. Si asumimos que el campo eléctrico en cada punto es de aproximadamente 200 V/m, la densidad de corriente que circula por cada m2 de superficie de la tierra es de ���� =200 �� �� ×2 ×10 14 �� �� =4 × 10 12 �� ��2
Esa densidad de corriente es realmente muy pequeña ya que es del orden de 4 millonésima de microamperes por m2, pero considerando toda la superficie del planeta 5.15 x 1014 m2, resulta que la corriente total (en todo el planeta) es de aproximadamente
��
������ =4 × 10 12 �� ��2 ×5.15 × 1014 ��2 =2060��
De estudios más profundos sobre este tema se establece que el potencial de la ionósfera es de aproximadamente 300 Kv respecto del piso. Si con un potencial de 300 Kv circulan 2000 Amp es porque la resistencia de toda la atmósfera es del orden de 150 Ω
��
������ = 300000�� 2000�� =150��
El circuito equivalente (hasta ahora) es el de un capacitor cargado con una resistencia de 150 Ω en paralelo. Claramente se descarga en muy poco tiempo (estudios más minuciosos sobre este modelo determinan que el tiempo en el que se descargaría es de unos 8 minutos). Entonces ¿Cómo es posible que aún ocurre este fenómeno cuando debiera haberse descargado por completo en los primeros 8 minutos de existencia de la atmósfera en la tierra? La respuesta es que lo que “recarga este capacitor gigante” son las tormentas. Se estima que hay unas 2000 tormentas activas simultáneas en todo el planeta, si cada entrega una carga de 1 Coulomb por segundo (1 ampere), entre todas aportan los 2000 amperes que se descargan por la conductividad del aire y, de este modo se mantiene el equilibrio.
¿De donde sale esta corriente de carga del capacitor gigante?
Recordemos que una nube está formada por pequeñísimas gotitas de agua y cristales de hielo que se forman por la condensación del vapor de agua
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alrededor de los denominados “núcleos de condensación”, es decir lo que vemos como nube es agua (líquida) o cristales de hielo, no es vapor de agua ya que el vapor no es visible. La actividad eléctrica se incrementa durante una tormenta debido a corrientes de aire en general cálidas y ascendentes que llevan esas gotitas hacia arriba y se forma el graupel (Granizo suave y muy pequeño) y también el granizo sólido.
De estudios de la dinámica de las nubes se observó que la generación de cargas ocurre debido al efecto triboeléctrico que ocurre por la interacción de granizos (pedazos de hielo relativamente grandes) o de graupel con cristales de hielo, en presencia de gotas de agua sobre enfriada y vapor de agua. El agua sobre enfriada está por debajo de 0° y aún sigue en estado líquido. Estos componentes circulan dentro de la nube y no necesariamente siempre terminan en precipitación.
La carga eléctrica que adquieren los cristales de hielo que forman las nubes será positiva o negativa dependiendo de la temperatura de la nube (que típicamente depende de la altura). En general la parte más alta está más fría, allí los cristales de hielo adquieren carga positiva y el granizo carga negativa. La parte más baja de la nube está más caliente y en esa zona los cristales de hielo adquieren carga negativa y el granizo carga positiva. La denominada zona de inversión ocurre cuando la temperatura de la nube es del orden de -15°C, esta zona suele estar a unos 5 o 6 Km de altura.
De esta manera quedan cargadas de electricidad las nubes, con distintas distribuciones de las cargas, aunque la más simple y a su vez muy frecuente es la de cargas negativas en las zonas de abajo de la nube (más cerca de la superficie de la tierra) y cargas positivas en las zonas más altas de la nube. Dependiendo de la particularidad de la o las nubes de tormenta pueden darse varias regiones positivas y varias negativas a distintas alturas.
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Distinto tipo de descargas
Las hay entre distintas partes de una misma nube, entre distintas nubes, entre nubes y el aire y entre nubes y tierra, siendo estas últimas las que nos interesan en instalaciones de telecomunicaciones y de energías renovables
Tormenta eléctrica sobre el barrio de Chacarita en la ciudad de Buenos Aires, se ven claramente los 4 tipos de descargas descriptas por Rakov. Agradezco a Manuel, excelente fotógrafo, que me autorizó el uso de esta obra de su autoría para el artículo, no le faltan detalles, observar el avión entre las descargas.
En la siguiente gráfica se muestran en forma esquemática los 4 tipos de descargas antes mencionados.
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Tipos de descargas entre nube y tierra
De los 4 tipos antes mencionados, claramente el que nos interesa a los fines de este artículo es cuando la descarga ocurre entre una nube y la tierra ya que es el tipo de descarga que impacta en las estructuras y más importante que las estructuras, impactan donde están LOS SERES VIVOS que pretendemos proteger.
Las descargas entre nube y tierra a su vez se subdividen en 4 tipos de rayos, rayo negativo descendente, positivo descendente y positivo ascendente y negativo ascendente. El nombre “rayo negativo o rayo positivo” se refiere a la zona de la nube involucrada en la descarga. Los negativos tienen su origen o destino en la zona negativa, y los positivos en la zona positiva. Los más frecuentes en la naturaleza son los rayos negativos descendentes. Aunque los ascendentes si bien no son tan frecuentes (como porcentaje de todos los rayos que ocurren diariamente) suelen presentarse en entornos muy elevados respecto del terreno circundante, y esta es una configuración típica de una estructura de radioenlace (una torre alta en un terreno más elevado que el resto).
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La nube como un gran capacitor cargado
La siguiente explicación tiene poco rigor científico, pero sirve para comprender el porqué de los órdenes de magnitud del fenómeno.
La nube de tormenta con gran actividad eléctrica puede verse como un capacitor cargado con de millones de Volts. La resistencia que presenta el aire ionizado, sobre todo en el último tramo del impacto, puede verse como un gran resistor de millones Ohms. El mástil o la estructura metálica donde impacta, como un circuito R-L-C donde el componente dominante es la inductancia (típicamente algunas decenas de µHy) y la resistencia del mástil puede considerarse despreciable y la jabalina como un resistor de pocos Ohm y poca inductancia (en caso de una tierra “buena”). Aplicando la ley de Ohm I=E/R sale que la corriente debe ser de miles de Amperes, y como la resistencia del aire ionizado es mucho mayor que el módulo de la impedancia compleja del conjunto mástil/jabalina (MΩ contra algunos Ω), sea cual fuere la impedancia de estos últimos, la corriente será la misma. Técnicamente hablando se comporta como un “generador de corriente”.
¿Por qué habitualmente se pide 10 Ω como máximo de resistencia de puesta a tierra?
Según el modelo recién visto, la resistencia de puesta a tierra no tiene mayor impacto en el desempeño siempre que sea pequeña, la corriente no va a variar y el potencial de tierra con certeza subirá varios KV en las cercanías de los conductores de puesta a tierra sea cual sea la resistencia. En todo caso de debería limitar la inductancia que presenta la puesta a tierra
Entonces ¿Por qué se pide que la resistencia de puesta a tierra sea menor o igual a 10 Ω?
Esto se debe a que la puesta a tierra no es solo para los rayos, también forma parte de la protección contra contactos indirectos, y debe respetarse siempre la reglamentación para la ejecución de instalaciones eléctricas en inmuebles (en la Argentina la de la AEA) y estos 10Ω salen de la implementación práctica de dicha reglamentación. Recordemos que SIEMPRE DEBE PONERSE A
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TIERRA TODA ESTRUCTRA
METÁLICA QUE PUEDA TOCARSE, TENGA O NO ALGUNA PROBABILIDAD SIGNIFICATIVA DE CONDUCIR CORRIENTES DE DESCARGAS ATMOSFÉRICAS. Los códigos de instalaciones eléctricas de cada país detallan su implementación práctica dependiendo de la tensión, la presencia de protección diferencial, etc.
La forma de onda del rayo estándar
Si bien todos los rayos son distintos, mediante estudios estadísticos se determinaron cuáles son las formas de onda más probables de encontrar en una descarga real en una estructura. Vale la pena aclarar que distintos laboratorios de distintos países determinaron “el rayo típico” de forma muy distinta.
Sin embargo, hay coincidencia que la forma 8/20 de la IEEE es muy representativa de las corrientes que aparecen en los cables y equipos y, en general, las protecciones para equipos utilizan esta forma de onda
El objetivo de este artículo, como se dijo al principio no es analizar el fenómeno atmosférico en sí mismo, sino los efectos que causa y como reducir el daño en primero en personas y animales y luego en los equipos eléctricos o electrónicos. Por esa razón, para este artículo se utilizará el “rayo estándar” de la IEEE denominado IEEE 8/20 ya que es el que se utiliza como referencia en la mayoría de los equipos de telecomunicaciones, protectores, antenas, etc.
Forma de onda del rayo IEEE 8/20
La forma de onda dice que el rayo más probable alcanza el 90% del máximo de la corriente en 8 µSeg desde el 10% y luego baja al 50% del máximo en 20 microsegundos. Los 18 KA indicados corresponde al 50% de las muestras.
En los siguientes gráficos se presenta la distribución estadística (también según IEEE)
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Tiempo en llegar a la mitad de la corriente máxima
Distribución de corriente pico
El contenido espectral de un rayo típico
Lejos de la falsa creencia que una descarga atmosférica es un fenómeno de corriente continua, debemos tener en cuenta que una descarga en un fenómeno impulsivo con un flanco ascendente muy abrupto y por lo tanto la mayor parte de su contenido espectral se concentra en algunos KHz.
En la siguiente figura se muestra un espectro típico.
Queda claro que se trata de un fenómeno de gran ancho de banda también, del gráfico anterior se observa que la mayor parte se concentra entre 1 y 100 KHz, lo que implica un ancho de banda de 100:1
Se estima que hay aproximadamente 100 descargas por segundo en el planeta tierra cuyas componentes se propagan con los mecanismos de las señales de baja y media frecuencia, y son fáciles de escuchar con una simple radio de AM o de onda corta. Difícilmente sus componentes espectrales llegan a las bandas de VHF, UHF o superiores.
Por donde circula la corriente del rayo
Debido a que los componentes espectrales de mayor magnitud se encuentran entre los 5 y 15 KHz, debe tenerse en cuenta la profundidad de penetración de las corrientes en el conductor. Es sabido que las corrientes de CA tienden a concentrarse en la superficie del conductor. Para el cálculo de resistencia en CA se establece una “piel del conductor” por donde se asume que se concentra toda la corriente (efecto skin, o efecto pelicular). Dependiendo del material y
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sobre todo de la frecuencia, esta “piel” es más o menos profunda. De todos modos, a estas frecuencias esa profundidad es de milímetros o micrones en las frecuencias más altas, muy inferior a los diámetros de los conductores que se usan para puesta a tierra. Por lo tanto, en un conductor típico (tipo 35 o 50 mm2) la corriente no circula con igual intensidad por todo el conductor sino principalmente por la superficie y casi nada por el interior. Por esta razón, si bien es poco práctico de implementar, para conducir corrientes de descargas, resulta más eficiente un fleje que un conductor de perfil circular de igual sección.
En las siguientes gráficas se muestra la profundidad de penetración de la corriente en el conductor (piel del conductor) para cobre y para acero galvanizado, se observa que se mide en micrones y solo para el cobre a 1KHz es del orden de 2000 micrones (2 mm). Solo a modo de ejemplo se compara la resistencia que presenta un conductor de 7 mm de diámetro de acero (como ser una rienda) o de cobre (se suelen hacer bajadas de cobre en los mástiles). La pequeña profundidad de penetración en el acero se debe a las características magnéticas del material.
Si bien la resistividad del acero es unas 6 veces peor que la del cobre (en CC) para las componentes espectrales de alta frecuencia es bastante mayor.
Acero galvanizado Vs cobre
Si bien se observa que la resistencia del conductor de acero es bastante mayor a la del cobre, debemos tener en cuenta que se trata de décimas de ohm en todas las aplicaciones prácticas, ya que como veremos un poco más adelante, el fenómeno principal es la inductancia. Por lo tanto, no hay diferencia significativa para la puesta a tierra de pararrayos si el conductor es de acero galvanizado o de cobre. De utilizarse conductor de cobre, debe tenerse en cuenta el potencial de contacto que produce graves daños al galvanizado en la
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conexión, si no se toman los recaudos apropiados. También hay que considerar que el cobre es muy tentador para los ladrones de metales, generando una situación extremadamente peligrosa por el robo de la puesta a tierra.
Mapa de densidad ceráunica de la argentina
La densidad ceráunica es el indicador que le da una magnitud a la cantidad de rayos que impactan la tierra por año en un Km2
Interpretación del gráfico
Por ejemplo, en la zona de la Ciudad de Buenos Aires (cuadriculado gris claro) caen entre 4 a 5 rayos a tierra por Km2 por año. Este indicador se utiliza en el dimensionamiento de los métodos de protección de estructuras contra descargas atmosféricas descripto en la Argentina en la norma IRAM 2184 (internacionalmente norma IEC 1024)
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Densidad de descargas a tierra (rayos por año /Km2) en la Argentina
Concepto de step leader y Modelo de la pelota rodante
La mecánica (muy simplificada) del proceso de un rayo es la siguiente.
Puede considerarse la nube cargada como “un gran capacitor”, con una de sus placas, en este caso la de tierra, donde está nuestra estructura con asimetrías que alteran el campo eléctrico
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El campo eléctrico no es constante y obviamente se acumulan mas cargas en las proximidades de objetos con radios de curvatura pequeños
Lo primero que se origina es un Step leader (trazador) y debido a la intensificación del campo eléctrico van “avanzando” hacia su destino en pasos que son de distinta longitud dependiendo del estado de la atmósfera, de la carga en las nubes, etc pero siempre siguiendo un recorrido zizagueante. Este camino de aire ionizado es buen conducor de la electricidad y se lo denomina canal. Como dijimos, el step leader no tiene un recorrido rectilíneo sino que va avanzando de a pasos, que tienen una longitud típica de aproximadamente 45 metros.
A su vez del “lado tierra” se empiezan a generar trazadores ascendentes que “compiten” entre si para conectarse con el trazador descendente
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Cuando se da la conexión ahí se dice que hubo impacto
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Dado que este último tramo en también general tiene una longitud de unos 45 metros, se establece una analogía que se llama analogía de la pelota o esfera rodante que se basa en imaginar una enorme pelota de 45 mts de radio, todos los lugares donde apoya la pelota son los más propensos a ser impactados por un rayo, y todos los lugares debajo de donde apoya la pelota de 45 mts de radio es zona protegida. Observar que una torre más alta no aumenta el área protegida. Este modelo de la pelota de 45 metros de radio es una aproximación simplificada. En la norma IRAM 2184 se analizan las zonas protegidas con mucho mas nivel de detalle que esta aproximación, aunque considerar este radio brinda un orden de magnitud bastante real.
Modelo de la pelota rodante en una torre (sin riendas)
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El trueno
El canal ionizado que explicamos más arriba se calienta por encima de los 28.000 oC El calentamiento de una sección corta, por ejemplo 10 metros del canal, toma alrededor de un microsegundo, entonces, la sección del canal no tiene tiempo para expandirse mientras se calienta.
El aire calentado desde una temperatura ambiente de pocos grados centígrados a más de 28.000 oC, sin tener tiempo para expandirse, lleva a un aumento considerable de la presión encima de la presión atmosférica (entre 10 y 100 atm). La alta presión del canal expande rápidamente el aire circundante (inicialmente a la presión atmosférica) y lo comprime. Esta perturbación del aire (expansión – compresión) se propaga en todas las direcciones. Aproximadamente en los primeros 10 metros esta perturbación se propaga como una onda de choque (una perturbación del aire que viaja a mayor velocidad que la del sonido) y luego como una onda de sonido ordinaria (pequeñas compresiones y expansiones de la densidad del aire )
El sonido del pulso de una pequeña sección del canal del rayo viaja a una velocidad cercana a los 340 metros por segundo a condiciones de nivel del mar.
El trueno que nosotros oímos se debe a las variaciones de presión inducidas en el aire por la expansión de cada parte del canal del rayo (canal principal y ramificaciones)
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Modelo de la pelota rodante en un mástil (con riendas)Circuito eléctrico de una estructura de soporte de antena al ser impactada por un rayo
Como dijimos anteriormente usaremos en este artículo el modelo de forma de onda de 8/20 μS
Un mástil se comporta casi como un inductor puro y su resistencia casi no tiene ningún efecto cuando es impactado por un rayo.
Según las fórmulas de la corriente alterna la tensión que aparece en un inductor es
En un mástil de 45 metros, asumiendo que tiene 1 uHy por metro con un rayo que llega a 18000 A en 8 μs aparece una tensión de aproximadamente 100KV y la corriente será siempre los 18000 A sea cual fuera la resistencia del mástil y de la jabalina
Imaginemos que si su resistencia fuera de 1Ω (es mucho menos) la tensión que desarrollaría por la circulación de 18000 A es de 18000V (no llega al 20% de la generada por el efecto inductivo)
Inductancia de un conductor
Una forma simplificada de determinar la inductancia de un conductor es
Donde Long está expresada en metros y Diam en mm
Por ejemplo, un conductor de 6.5 mm de diámetro y 10 metros de longitud tiene una inductancia de
También es aplicable a mástiles
Por ejemplo, un mástil de 80 cm de cara y 45 metros de alto tiene una inductancia de
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Con estos datos podemos armar el circuito equivalente de una estructura impactada por un rayo
Ejemplo numérico para interpretar la distribución de las corrientes Supongamos un mástil (con riendas que es la instalación más habitual) al cual le impacta un rayo que consideramos de 18KA con forma de onda 8/20 μS. La idea de cualquier sistema de protección contra el efecto de los rayos es tratar de que la menor corriente posible circule por zonas sonde pueda haber humanos o animales y el equipo electrónico y la mayor parte de la corriente circule por la o las puestas a tierra del mástil y riendas. Entonces lo que trataremos de hallar es la relación entre las corrientes, si cambia la intensidad o la forma de onda del rayo que impacta se conserva bastante bien la relación.
Para este ejemplo usaremos un mástil como el de la figura
• De 42 mts de alto
• 65 cm de cara
• Riendas de 7mm de diámetro a tierra en los extremos
• Las riendas toman al mástil a los 9, 24 y 39 metros
Instalación real
Diagrama de bloques
El cable de bajada de la antena es un coaxial de 7/8” con un diámetro de conductor externo de 25 mm.La antena está a los 40 metros y el cable baja paralelo al mástil hasta los 3 metros o sea 37 metros de recorrido En este primer análisis consideramso que el cable está en contacto con la antena y el mástil en el punto de conexión a la antena (cosa que SIEMPRE PASA) , que el equipo está puesto a tierra (cosa que también SIEMPRE PASA) y que no hay ninguna puesta a tierra intermedia del cable (cosa NO RECOMENDABLE, en este ejemplo veremos luego por qué). En el diagrama de bloques vemos que la
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corriente del rayo se distribuye parte por el mástil (que está puesto a tierra), parte por las riendas y parte por el cable de bajada.
Cálculo de las inductancias hecho con las fórmulas aproximadas del párrafo anterior:
La inductancia de los primeros 37 mts del cable de bajada es de 59 μHy, luego un recorrido de 10 metros hasta el equipo de radio conuna inductancia de 13 μHy.
La inductancia de la rienda mas larga (46 metros) es de 87 μHy y como hay tres en paralelo, la inductancia resultante es de 29 μHy
La inductancia de la rienda del medio (32 metros) es de 58 μHy y como hay tres en paralelo, la inductancia resultante es de 19 μHy
La inductancia de la rienda mas corta (22 metros) es de 39 μHy y como hay tres en paralelo, la inductancia resultante es de 13 μHy
La inductancia de los primeros 3 metros de mástil es de 1.3 μHy Luego 6 metros hasta la primer rienda con 3.4 μHy, entre riendas hay 15 m con 11.3 μHy y los últimos 3 metros con 1.3 μHy.
En el siguiente diagrama se presenta el circuito equivalente que para simplificar, no se incluyen capacidades distribuidas (que no son cero y dan origen a oscilaciones que realmente existen) y también se puso resistencia cero y no se contempló la inductancia mutua entre el cable y el mástil el circuito queda entonces:
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Para hallar la distribución de las corrientes, se hizo una simulación con Multisim 11.0 de National Instruments, XSC1 es un osciloscopio virtual mientras que XCP1 y XCP2 son transductores de corriente virtuales que convierten la corriente a tensión sin deformar la onda para poder ser vistos en el osciloscopio virtual (que como todo osciloscopio muestra formas de onda de tensión).
Las corrientes que se hallan son:
• 11.98 KA que circula por todas las tierras entre mástil y riendas sin diferenciar por cual
• 6.02 KA que circula por el equipo
Entonces, de la totalidad de la corriente del rayo el 67 % va a parar a tierra y el 33% pasa por el equipo, poniendo en riesgo también las personas que podrían estar en la proximidad de los mencionados equipos.
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Ahora veamos qué pasa si agrego una “Tierra de equipotencialización” (o aterramiento del cable) justo donde el cable dobla para dejar el mástil y acometer a la casilla
El diagrama de bloques y circuito equivalente ahora quedan así
Ahora las corrientes son completamente distintas y con esta configuración el 94.5 % de la corriente fue a parar a tierra por el mástil y riendas, y solo el 5.5% pasó a través del equipo y se redujo notoriamente el riesgo de las personas que puedan estar cerca de los equipos
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Diagrama de bloques con PAT del cable Circuito equivalente con PAT del cableEl kit de puesta a tierra
Esto demuestra que, con el simple agregado de un kit de puesta a tierra en el cable, se reduce muchísimo el daño que puede hacerse al equipo en caso de que la estructura sea alcanzada por un rayo. Igual el 5% DE 18000 AMPERES ES 990 AMPERES COSA QUE NO ES POCO y puede destruir cualquier equipo o causar daños a humanos o animales. De todos modos, es un método de protección muy simple y eficaz.
Vista de frente y de costado de un kit de puesta a tierra, para colocarlos hay que pelar la vaina para que haga contacto el kit, luego se imperbealiza con los materiales adecuados que suelen venir con el mismo kit. En la foto no está la impermeabilización puesta para apreciar el kit en si mismo
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Algunas recomendaciones mas acerca de los kits de puesta a tierra
El de “antes de la curva del cable” es el más importante
Es importante uno arriba (cerca de la antena) para que la corriente del rayo (si es que impacta en la estructura) tenga un camino de menor impedancia por el kit que por la antena
Es importante uno a unos 45 mts del piso ya que es un lugar probable de impacto (ver tema del modelo de la pelota rotante).
Una “norma de instalación típica” de las empresas de telecomunicaciones es poner 2 kits (uno arriba y uno en la curva) si el mástil es de hasta 60 metros, y poner 3 kits (arriba, abajo y en el medio) si tiene mas de 60 mts. El cable de conexión a tierra debe ir siempre PARA ABAJO, y no es por el agua sino para que tenga la menor inductancia posible hacia tierra, Un cable doblado en U tiene mucha mayor inductancia que uno rectilíneo.
Instalación recomendada de kits de puesta a tierra
Instalación ideal con puestas a tierra y descargador
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El descargador coaxial (arrestor)
Hasta ahora vimos que la corriente circula por la malla del coaxial, pero la circulación de esta corriente enorme por la malla del coaxial induce corrientes importantes en el conductor central ya que básicamente es como un “transformador” con una relación de acoplamiento de 1:1 y fuerte inductancia mutua. Por lo tanto, ante el impacto de un rayo, entre el conductor interior y el exterior se genera una fuerte diferencia de potencial. La función del descargador es limitar esa tensión a niveles no peligrosos para los equipos a los cuales protege. Hay de varios tipos, siendo el más común en telecomunicaciones el del tipo “ampolla gaseosa” que tiene un ancho de banda importante y absorbe bastante bien la energía proveniente del rayo.
También el protector tiene la función de poner a tierra el conductor exterior (malla) del coaxial
La potencia que indica de 400W promedio es la máxima potencia de RF que maneja este descargador, en realidad la limitación pasa por la tensión, en este caso el descargador actúa (o sea se pone en cortocircuito) cuando la tensión supera los 350 V.
La tensión pico necesaria para transportar 400 watt en un sistema de 50 Ω de impedancia es de �� =141√��×�� que en este caso sería �� =141√400∗50= 200�� y esto sin considerar modulación o portadoras múltiples, por eso la tensión de 350 V es fácil de encontrar en una onda modulada (Siempre las antenas se usan con señales moduladas) o en un sistema de portadoras múltiples (por ejemplo 5 portadoras de 80w de un sistema de radiocomunicaciones troncalizadas).
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La Jabalina (Dispersor)
La función que tiene es disipar en la tierra toda la energía posible de la proveniente de la descarga. Observar que digo DISIPAR, es decir, transformar en calor dicha energía ya que este es un proceso irreversible. Por lo tanto, la jabalina ideal debe comportarse como un resistor puro tanto como sea posible. Si tiene componentes reactivos (capacidad o inductancia), no disipará energía y la devolverá en forma de oscilaciones hasta que al final se disipe en los componentes resistivos de cables, o en los mimos equipos que intenta proteger. Teniendo en cuenta esto, dos jabalinas más cortas puestas en paralelo, funcionan mejor a los efectos de dispersor que una muy larga (ya que quedan en paralelo sus inductancias) y siempre es recomendable una puesta a tierra del tipo “pata de gallo”
Como es una jabalina típica
Una jabalina típica es “como un clavo” de unos 15 a 20 mm de diámetro y aproximadamente 1.5 metros de largo. En general se clava en la tierra con una maza. Es típicamente de “Copper Clad” que es acero recubierto de cobre, el acero le da resistencia mecánica y el cobre le da buena conductividad eléctrica y mejora la resistencia a la corrosión. Existen accesorios como ser la “sufridera” que no es otra cosa que una cabeza de acero que soporta los golpes de la maza sin deformarse (una vez instalada, la sufridera se saca), los manguitos de unión, si uno quiere hacer una jabalina más larga con dos más cortas, y la toma superior donde se conecta el conductor.
Normas de referencia
En la república Argentina debe tomarse como referencia la norma IRAM 2184 “protección de las estructuras contra las descargas eléctricas atmosféricas”
Con respecto a la puesta a tierra en sí misma, la norma de referencia es la IRAM 2281 “Puesta a tierra de sistemas eléctricos, consideraciones generales”
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Instalación recomendada
La instalación MINIMA recomendada consiste en una jabalina en la base del mástil, y una para cada terminación de riendas. ES INACEPTABLE QUE FALTE LA PUESTA A TIERRA EN CUALQIER ESTRUCTRA QUE PUEDA SER TOCADA POR PERSONAS O ANIMALES.
Una solución óptima es la pata de gallo o anillo perimetral de PAT tiene dos funciones, por un lado aporta reducción de la resistencia de PAT del conjunto, y por otro, el más importante mantiene el campo eléctrico más o menos constante alrededor de los puntos posibles de impacto, y reduce el “potencial de paso” que es peligroso si hay personas o animales en las inmediaciones del mástil, paneles solares o la casilla de equipos, en el momento del impacto
La jabalina en la pata del mástil aporta un camino de baja inductancia, el tramo horizontal de la pata de gallo o anillo reduce el potencial de paso. Una función similar tiene el Halo de PAT interior a la casilla de radio o sala de equipos, mantiene más o menos constante el campo eléctrico tratando de evitar que se generen puntos “calientes” con fuerte concentración de cargas
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Los cables deben bajar paralelos al mástil con al menos dos kits de PAT, uno arriba y uno abajo justo arriba de la curva hacia la casilla de radio. Esta curva debe ser en lo posible de 90° ya que eso aumenta la inductancia del tramo y tan baja como sea posible
Protección de pequeñas instalaciones fotovoltaicas
La protección para pequeñas instalaciones fotovoltaicas se debe realizar siguiendo el mismo criterio expresado en párrafos anteriores para otras estructuras. Para parques solares de gran envergadura deben tenerse en cuenta otros criterios más estrictos, no detallados aquí. Es decir, todo lo “tocable” puesto a tierra y en todos los casos priorizando un camino de baja impedancia (baja inductancia) por sobre una resistencia pequeña. Obviamente siempre respetando los códigos de instalaciones eléctricas aplicable en el lugar de emplazamiento. Es importante observar que, en muchos sistemas fotovoltaicos, los paneles están flotantes, es decir no se conecta a tierra ni el positivo ni el negativo. Pero siempre debe conectarse a tierra el marco del panel. Todos los paneles fotovoltaicos tienen un punto de conexión a tierra y siempre deben respetarse las recomendaciones del fabricante acerca de cuál es el punto de conexión óptimo. Respecto del captor algunos fabricantes de estructuras recomiendan un captor simple de una punta, y
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algunos directamente ningún captor. Este criterio se debe a que la estructura es tan baja respecto al piso que la “esfera rodante” es probable que toque en todos lados (es decir todos los puntos son más probables de impacto) o bien estén protegidas por luminarias y otras instalaciones circundantes. Para el caso de instalaciones coplanares en techo, los paneles formarían parte del techo (desde el punto de vista del impacto de rayos) por lo que la protección de la vivienda es la realmente relevante y no difiere mucho del riesgo introducido por una cañería o una antena de TV o satelital ubicada en el techo. Es bien distinto de una instalación de telecomunicaciones con estructuras elevadas decena de metros respecto del piso.
En los casos que no pueda hincarse una jabalina, cosa muy común en sistemas fotovoltaicos en lugares montañosos, la solución de la pata de gallo es más que suficiente para una instalación segura. Si bien muchas instalaciones tienen los paneles flotantes (es decir desconectados de tierra), el impacto de un rayo ya sea directo o cercano a la instalación hace que se induzcan corrientes peligrosas en los cables de CC. Por esa razón deben colocarse descargadores entre positivo de panel y tierra y entre negativo de panel y tierra. Las características del descargador dependen de la configuración de paneles en uso (en particular de la tensión que en muchos casos es hasta 1000 V de CC). El seccionamiento también debe realizarse en los dos polos cuando ninguno está referenciado a tierra.
Materiales
Las jabalinas son de Copper Clad (acero revestido en cobre), los conductores enterrados suelen ser cables de cobre de 35 o 50 mm2, la PAT de las riendas suele hacerse del mismo cable de acero de las riendas, esto se hace por dos motivos:
No genera potenciales de contacto (la juntura cobre-zinc del galvanizado produce corrientes galvánicas que destruyen el zinc y dejan el acero expuesto produciendo oxidación prematura. El cable de acero no es tentador a los ladrones de cobre
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La unión entre jabalinas y conductores enterrados se hace típicamente con soldadura cuproaluminotérmica, o con mordazas tipo ”C” (C-TAP)
Soldadura cupro C-TAP
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