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CÁLCULO DE PARARRAYOS

Un  sistema de protección contra tormentas eléctricas (SPTE) diseñado e instalado segun NMX-J-549-ANCE-2005, reduce el  riesgo de daño que puede provocar un rayo. Sin embargo, su aplicación no garantiza una protección absoluta a personas, estructuras u objetos. 
 

Por el tipo de pararrayos se pueden definir los siguientes:

-Una terminal vertical aérea

-Dos terminales  verticales aéreas iguales o con diferente altura

-Más de dos terminales verticales aéreas

-Un cable aéreo tendido (conductor de guarda)

-Dos o más cables aéreos tendidos

Para fines prácticos por el nivel de protección diferenciaremos dos tipos de zona:

A-     Nivel  de protección ≥ 99.5 %;

B-     Nivel  de protección ≥ 95-99.5 %.

Los parámetros de los pararrayos son:

h-  Altura total del pararrayos, m.

h0- Altura de la parte más alta del cuerpo del pararrayos, m.

hx-Altura del edificio protegido, m.

hm–Altura del receptor del pararrayos (terminal aérea), m.

ha– Altura activa del pararrayos, m.

r0, rx – Radios de protección al nivel del suelo y a la altura del edificio protegido, m.

hc– Altura de la parte promedio de un pararrayos doble, m.

2rc, 2rx – Parte ancha media de la zona del pararrayos doble al nivel del suelo y a la altura del objeto protegido, m.

α- Angulo de protección (entre ver el vertical y el generado), grados.

L-Distancia entre dos Pararrayos, m.

a- Largo de la volada entre soportes de cables, m.

hop– Altura del soporte del cable, m.

rx+ r’x – Ancho de la zona del cable de guarda a nivel del objeto protegido, m.

a +2rcx – Longitud de la zona del pararrayos de dos cables al nivel del objeto protegido, m.

a +2rc- Longitud de la zona del pararrayos de dos cables al nivel del suelo, m.

Frecuencia anual promedio de rayos directos a la estructura (N) al año, se realiza con la siguiente relación: 

-para edificios vecinos y construcciones (chimeneas y torres)

Donde hx – La altura máxima del edificio o construcción, m.

n- Cantidad media anual de impactos por rayo en 1 km2  de superficie en el lugar de ubicación del edificio o construcción(es decir nivel ceraunico), 1/(km2 •año), se define según la Tabla 1.

Para edificios y edificaciones de forma triangular:

Donde A y B- Son el largo y ancho del edificio o edificación, m.

Nota- Si el edificio y construcción tienen una configuración complicada, entonces A y B- Serán los lados del triangulo, en el cual se ajusta en el plano del objeto protegido. 

Formulas Calculadas de pararrayos para h ≤ 150 m

Una sola terminal aérea (Dibujo 1)

                                                                                                Zona A                                                                                                         Zona B


Dos terminales aéreas con altura idéntica (Dibujo 2)


En ambos casos considerar los pararrayos individualmente.

Dos pararrayos de Diferente altura (Dibujo 3)

Dimensiones de las aéreas totales de las zonas de protección h01,h02, r01 ,r02, rx1 ,rx2  se definen para un solo pararrayos


Los valores hc1 y hc2 se definen para dos pararrayos de la misma altura.

Pararrayos múltiples ( Dibujo 4)

La zona de protección se construye por medio de parejas vecinas de pararrayos. La condición especial de seguridad de uno o varios objetos con altura y confiabilidad de las zonas A y B es rcx >0

Un solo conductor de guarda (Dibujo 5)


Doble conductor de guarda de la misma altura (Dibujo 6)



Doble conductor de guarda de diferente  altura (Dibujo 7)

Los valores h01 , h02 , r01, r02 ,rx1 , rx2  se definen por las formulas de un solo conductor de guarda. Para la definición de los tamaños rc y hc se usan las formulas:


Los valores hc1 , hc2 , r’x1, r’x2 ,rcx se calculan con las relaciones antes dadas para    un doble conductor de guarda de la misma altura.

Nota- para un solo cable de guarda h- es la altura del cable en el medio del claro. Tomando en cuenta el pandeo del cable (la parte más baja o catenaria) con sección 35…50mm2 con la altura conocida del soporte (hop ) y el largo de la volada (a) de la altura del cable (en metros) se define por las relaciones:



Nota-  tpr es el promedio anual de duración de las tormentas, h/año. Se define por los mapas establecidos en base a los informes meteorológicos de los últimos 10 años.


Dibujo 1. Zona de una sola terminal aérea


Dibujo 2. Zonas de protección dos terminales verticales aéreas con la misma altura


Dibujo 3. Zona de protección de dos terminales aéreas  con diferente altura



Dibujo 4. Zonas de proteccion (vista de planta) de un pararrayos múltiple.


Dibujo 5. Zona de protección de un solo cable de guarda


Dibujo 6. Zona de protección de un cable de guarda doble 

Dibujo 7. Zona de protección de un cable de guarda doble con diferente altura

Ejemplo 1

Dado:

h= 50 m

hx =20 m

B= 20 m

n= 61/(km2·año)

Tipo de pararrayos- una terminal aérea 

Solución:

Por las relaciones para un pararrayos (Dibujo 1)se definen los parámetros del pararrayos para las zonas.

En escala se ilustran las zonas A y B (Dibujo 8)

Zona A:


Zona B:


Se definen los tamaños totales del objeto protegido en cada zona del pararrayos. Para esto en la distancia  de la linea media paralelamente se lleva una linea hasta la intersección con la circunferencia rx (Dibujo 8).

Zona A:

 

Zona B:



Dibujo 8. Zona de protección de una terminal vertical aérea s, h= 50 m

Se define la probabilidad de impacto de rayo en el objeto protegido en las zonas con ausencia de pararrayos.



En la zona B la cantidad de impactos de rayos es mayor.

Ejemplo 2

Dado:

Tipo de pararrayos: Doble conductor de guarda (terminales horizontales)

hop1= hop1= 22 m

hx = 10 m

L= 25 m

a = 40 m

n = 71/(km2·año)

Se pide:

           ·        Definir los  parámetros de la zona A del pararrayos e ilustrarla.

           ·        Definir los tamaños finales del objeto protegido

           ·        Definir los impactos probables de rayo en el objeto.

Solución:

1.      Por las relaciones del Dibujo 6 para dos conductores horizontales o cables de guarda con la misma altura se definen los parámetros para la zona A.

En escala la zona A se ilustra en el plano (Dibujo 9), ya que  a < 120 m , entonces:


Nota. Al cruce de la marca superior de la construcción con la línea en el claro se define r’x .


Se definen lo tamaños máximos finales de la construcción protegida según el Dibujo 9:


Se toma el valor entero A= 59 m


Se toma el valor entero B= 45m


Se definen las posibles incidencias de rayo en el objeto protegido en la zona A en ausencia de pararrayos:





Dibujo 9.

Los parámetros de la zona A del pararrayos indicados en el Dibujo 9.



CONCLUSIONES:

Con este ejemplo vimos una manera sencilla de como hacer el calculo de un pararrayos, en la NMX-ANCE-J-549-2005 existen otros métodos, que no difieren de los métodos y ejemplos aquí propuestos, tanto el articulo presentado como la NMX pueden complementarse el uno con el otro. El hecho de que se cobre por el acceso a la NMX-J-549 es algo injusto, en artículos posteriores se publicaran fragmentos de la NMX-J-549 que el autor considera los mas críticos para el calculo de pararrayos. Si bien el articulo presenta algunas diferencias con los métodos en la NMX cabe resaltar que la NMX-J-549 no es una norma federal del mismo tipo como la NOM-001-SEDE-2005.

Dudas, comentarios o sugerencias a webmaster@elektroshagg.com

REFERENCIAS

1. В.П. Шеховцов. Расчет и проектипование схем электроснабжения. Moscu, форум- инфра-М, Año 2005

2. NMX-J-549-ANCE-2005