B11- Capitulo 11 1s454t
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Capítulo 11: Protección contra descargas atmosféricas
CAPITULO 11 PROTECCION CONTRA DESCARGAS ATMOSFERICAS 11.1 INTRODUCCION Las descargas atmosféricas causan serias perturbaciones en las redes aéreas de transmisión y distribución de energía eléctrica, antes de provocar daños materiales en las construcciones atendidas por ellas, sin contar los riesgos de vida a que las personas o animales están sometidas.
l a
Las descargas atmosféricas inducen ciertas tensiones que llegan a centenas de kV en las redes aéreas de transmisión y distribución de las concesionarias de energía eléctrica, obligando a utilizar cables de guardia a lo largo de las líneas de tensión más elevadas y pararrayos para la protección de equipos instalados en ese sistema. Cuando las descargas eléctricas entran en o directo con cualquier tipo de construcción, tales como edificios, tanques metálicos de almacenamiento de liquido, partes estructurales de las subestaciones, son registrados grandes daños materiales que podrían ser evitados en caso de que esas construcciones estuviesen protegidas adecuadamente por pararrayos de tipo hasta.
ir
T r
e vw
11.2 CONSIDERACIONES SOBRE EL ORIGEN DE LOS RAYOS
riom.t
A lo largo de los años, varias teorías fueron desenvueltas para explicar el fenómeno de los rayos. Actualmente se tiene como cierta, que la fricción entre las partículas de agua que forman las nubes, provocada por los vientos ascendentes de fuerte intensidad, da origen a una gran cantidad de descargas eléctricas. Se verifica experimentalmente que las cargas eléctricas positivas ocupan la parte superior de la nube, en cuanto a las cargas eléctricas negativas se posicionan en su parte inferior, acarreando consecuentemente una intensa migración de cargas positivas en la superficie de la tierra para un área correspondiente a la localización de las nubes, conforme se puede observar en el Esquema 11.1. De esta forma, las nubes tienen una característica bipolar.
Dn.c
F.zeo
D w w P
Como se puede deducir por el Esquema 11.1, la concentración de cargas eléctricas positivas y negativas en una determinada región puede surgir una diferencia de potencial entre la tierra y la nube. El aire presenta una determinada rigidez dieléctrica, normalmente elevada, que dependen de ciertas condiciones ambientales. El aumento de esa diferencia de potencial, que se denomina gradiente de tensión, podrá alcanzar un valor que supere la rigidez dieléctrica del aire entre la nube y la tierra, haciendo que las cargas eléctricas migren en dirección de la tierra, en un trayecto tortuoso y normalmente con ramificaciones, cuyo fenómeno es conocido como descarga piloto. Es de aproximadamente 1 kV/mm el valor del gradiente de tensión para el cual la rigidez dieléctrica del aire se rompe. La ionización del camino seguido por la descarga piloto, propicia condiciones favorables de conductibilidad del ambiente. Manteniéndose elevado el gradiente de tensión en la región entre la nube y la tierra, surge, en función de aproximación de solo una de las ramificaciones de descarga piloto, una descarga ascendente, constituida de cargas eléctricas positivas, denominada de descarga de retorno o principal, de gran intensidad, responsable por el fenómeno conocido como trasvase, que es el dislocamiento de masa del aire circundante encaminamiento del rayo, en función de la elevación de temperatura y consecuentemente del aumento del volumen.
n o
w
e Z
No se tiene precisión de la altura de encuentro entre esos dos flujos de carga que caminan en sentido opuesto, pero se supone que es a pocas decena de metros de la superficie de la tierra. La descarga de retorno al llegar a la nube, provoca, en una determinada región de la misma, una neutralización electrostática temporaria.
11/1 Instalaciones Eléctricas II
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Capítulo 11: Protección contra descargas atmosféricas
Esquema 11.1 Distr ibución de las car gas eléctr icas de las nubes y del suelo
l a
10 km.
r e
3 km.
Dn.c
F.zeo
D w w P
ir vm.tw o
ir T
Superficie terrestre
ARCV
En la tentativa de mantener en equilibrio las potencias eléctricas en el interior de la nube, surgen en estas intensas descargas que resultan en la formación de nuevas cargas negativas en su parte inferior, dando inicio a las llamadas descargas reflejadas o secundarias, en el sentido de las nubes para la tierra, siendo como canal conductor aquel seguido por la descarga de retorno que, en su trayectoria ascendente deja al aire intensamente ionizado. El esquema 11.2 ilustra gráficamente la forma de las descargas atmosféricas. Las descargas reflejadas o secundarias pueden acontecer por varias veces, después de concluida la descarga principal. Tomándose como base las mediciones hechas, las intensidades de las descargas atmosféricas pueden ocurrir las siguientes probabilidades:
n o
-
w
e Z
97% ≤ 10 kA; 85% ≤ 15 kA; 50% ≤ 30 kA; 20% ≤ 15 kA; 4% ≤ 80 kA
También fue comprobado que la corriente de descarga tiene una única polaridad, esto en una sola dirección. Una onda típica de descarga atmosférica fue determinada para efecto de estudios específicos.
11/2 Instalaciones Eléctricas II
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Capítulo 11: Protección contra descargas atmosféricas
Esquema 11.2 Secuencia de eventos de una descar ga atmosfér ica
l a
(a)
(b)
(c)
r e
ir T
(d)
ir vm.tw o
El esquema 11.3 muestra la conformación de esa onda, en función del tiempo.
Dn.c
Esquema 11.3 For mato car acter ístico de una onda de descar ga atmosfér ica V (kV)
V2
n o V1
e Z
F.zeo
D w w P w
V0
T2
T1
T 0 T (µ.s)
La onda alcanza a su valor máximo de tensión V2 en un tiempo T2, comprendido entre 2 y 10 µs da el valor medio V1, correspondiente al valor medio de caída de onda, es alcanzado en un intervalo de tiempo T1 de 20 a 50 µs, cayendo para V0 = 0, al final de T0 en un intervalo de 100 a 200 µs. El conocimiento de la forma de onda, es de dos valores típicos de tensión y tiempo, y de los porcentajes de su ocurrencia, posibilita los estudios para el dimensionamiento de los para rayos de protección contra sobretensiones en líneas y redes eléctricas y de para rayos de hasta, destinados a la protección de construcciones e instalaciones en general.
11/3 Instalaciones Eléctricas II
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Capítulo 11: Protección contra descargas atmosféricas
11.3 PARARRAYOS DE PUNTA Como se procuró mostrar anteriormente, las descargas atmosféricas pueden dañar seriamente el patrimonio y victimar las personas y animales cuando estos se encuentran dentro del campo eléctrico formando entre las nubes que sólo sean directamente alcanzadas. Utilizando las propiedades de las puntas metálicas de propiciar la canalización de las cargas eléctricas para la atmósfera, llamado poder de las puntas, Franklin concibió un dispositivo que desempeña esta función, que fue denominado pararrayos. Queda claro que las descargas eléctricas dentro de una determinada zona son más fácilmente canalizadas por el pararrayo de que por una estructura de concreto, por ejemplo. El Esquema 11.4 muestra el principio fundamental de la actuación de un pararrayo. Las cargas eléctricas, en ves de irrumpir en un punto cualquiera del suelo, son conducidas hasta las puntas del pararrayo (captor) a través de un cable de excelente conductividad eléctrica (cable de cobre), permitiendo, de esta forma, que las descargas sean efectuadas a través de éste, propiciando la protección de construcción dentro de un determinado rayo de actuación.
l a
r e
Esquema 11.4 Pr incipio fundamental de actuación de un par ar r ayo
D w w P
ir vm.tw o
Dn.c
F.zeo
Pararrayos
ir T
Cable de cobre
Edificio
n o
e Z
w
Malla de tierra
Un sistema de pararrayos de punta, o pararrayos de tipo Franklin, es constituido de diferentes partes, cuyos elementos principales son: a) Captor Principal elemento del pararrayo, es formado normalmente por tres o más puntas de acero inoxidable o cobre. Es también denominado de punta.
11/4 Instalaciones Eléctricas II
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Capítulo 11: Protección contra descargas atmosféricas
b) Var illa (mástil) El soporte del captor, siendo constituido de un tubo de cobre de longitud igual a 5 m y 55 mm de diámetro. Debe ser fijado firmemente sobre un aislador de uso exterior. La función de la varilla es de soportar el captor y servir de conductor metálico. c) Aislador Es la base de fijación de la varilla o mástil. Normalmente es utilizado en aisladores fabricados en porcelana vitrificada o vidrio templado, para un nivel de tensión de 10 kV. d) Conductor de descenso Es el conductor metálico que hace de conexión entre el mástil o captor y el electrodo de tierra. El conductor de descenso puede ser de cobre comercial de conductividad mínima de 98% para el tipo recosido, o aluminio, apropiado para la utilización como conductor eléctrico. También pueden ser utilizadas cintas o flejes metálicas e) Electr odo de tier r a Los conductores de descenso son conectados a sus extremidades inferiores a tres o más electrodos de tierra, cuyo valor de resistencia de aterramiento no deberá ser superior a 10 Ω para instalaciones en general y 1 Ω para edificaciones destinados a materiales explosivos o fácilmente inflamables. f) Conector de medición Es así denominado a la conexión desmontable destinada a permitir la medición de resistencias de aterramiento. Debe ser instalada a 2 m. o más arriba del nivel del suelo. El Esquema 11.5 muestra los principales elementos anteriormente descritos formando un conjunto completo de protección contra descargas atmosféricas.
l a
r e
ir T
ir vm.tw o
Esquema 11.5 Elemento de un sistema de pr otección contr a descar gas atmosfér icas
Dn.c
F.zeo Mástil
D w w P
Aislador
n o
Captor Conector
Conductor de descenso (bajada) d ≥ 20 cm. Soporte del conductor de bajada
w
2 m.
e Z
Conector de medición
Protección no metálica (Ejm. PVC)
Electrodos
ARCV
11/5 Instalaciones Eléctricas II
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Capítulo 11: Protección contra descargas atmosféricas
11.4 DIMENSIONAMIENTO DE UNA INSTALACION DE PARARRAYOS El correcto dimensionamiento de una instalación de protección contra descargas atmosféricas, proporciona un elevado grado de seguridad a las construcciones en general y en particular a los edificios industriales, principalmente aquellas que trabajan con productos de alto riesgo y están localizadas en regiones de elevado índice ceráunico, que representa el número de días de tormenta por año. Ese dimensionamiento será hecho tanto para la protección de construcciones en general, como para la protección de subestaciones de consumidores instaladas a la intemperie. Antes de tomar una decisión aleatoria sobre la necesidad de dotar determinada construcción de una protección adecuada contra la incidencia de rayos, es prudente que se calcule la probabilidad ponderada que permitirá una decisión técnica sobre la instalación. El método a ser utilizado es de la norma BS 6651 (origen inglesa). Ese método considera valores de ponderación en función del tipo de ocupación predial, material de construcción utilizado, localización etc., de acuerdo con la Tabla 11.1.
l a
Tabla 11.1 Factor de ponder ación Tipo de ocupación
A
Mater ial de constr ucción
B
Contenido
Habitación
Construcción de 0.3 cobertura no metálica
Sin valor 0.2 patrimonial o histórico
Habitación con antena externa
Construcción de concreto y 0.7 cobertura no metálica
0.4
Construcciones industriales
n o
F.zeo
Subestaciones, centrales telefónicas, 0.8 instalaciones de gas, estaciones de radio y TV Museos, monumentos y 1.0 construcciones de la misma naturaleza
11/6 Instalaciones Eléctricas II
Localización
D
Topogr afía
E
Áreas circundadas por árboles o 0.3 estructuras de cualquier naturaleza
0.4 Planicies
0.3
Áreas semiaisladas
1.0 Colinas
1.0
Montañas con 2.0 altura entre 300 a 900 m
1.3
0.8
1.0 Áreas aisladas
w
Construcciones destinadas a Construcción de 1.2 hoteles, alvenaria moteles, salas comerciales Construcciones destinadas a Escuelas, shopping center, Construcción de 1.3 1.4 hospitales y museos, centros madera similares deportivos y similares Construcción de Escuela, alvenaria o madera 1.7 1.7 hospitales y con cobertura similares metálica Construcción con cobertura de tejas y 2.0 similares
e Z
ir vm.tw o C
Dn.c
Sensibles a daños
D w w P
Construcción de 1.0 metal o concreto y cobertura metálica
r e
ir T
1.3
1.7
Montañas con altura encima de 1.7 900 m
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Capítulo 11: Protección contra descargas atmosféricas
El factor de ponderación final es dado por la siguiente ecuación: P 0 = A x B x C x D x E x Npr Donde: A, B, C, D, E, F = Factor de ponderación de la Tabla 11.1, Npr = Número probable de rayos que pueda alcanzar a la construcción y es dado por la siguiente ecuación: Npr = Sc x Nda x 10-6 Sc = Área de construcción en m2; Nda = Densidad de rayos, en rayos /km2/año, dada por la ecuación siguiente:
N da = α .N βt
l a
ir T
Nt = Índice ceráunico, o sea número de días con rayos por año; α = 0.023 β = 1.3 A partir de los valores de P0, se puede determinar, a través de la Tabla 11.2, la necesidad o no de incluir la protección contra las descargas atmosféricas.
ir vm.tw o
Tabla 11.2 Pr obabilidad ponder ada Pr obabilidad ponder ada P0 < 10 -4
-5
10 > P0 > 10
Ejemplo de aplicación:
Pr otección deseada
Dn.c
No aconsejada
-5
P0 > 10-4
r e
F.zeo
D w w P
Aconsejada Obligatoria
Una planta industrial de ramo metalmecánica, con un área plana de 1500 m2 y altura de 8 m, localizada en terreno plano de poca arborización, es constituida de concreto armado con cobertura metálica. Determinar la necesidad de protección contra descargas atmosféricas, sabiendo que la región (Cochabamba) presenta un índice ceráunico medio de 70 días con rayos (descargas) por año. De la Tabla 11.1 para la ecuación P 0 = A x B x C x D x E x Npr , se tiene: A = 1.0 B = 0.8 C = 0.3 D = 1.0 E = 0.3 N da = α .N βt = 0.023 x 701.3 = 5.76 descarga/km2/año Nt = 70 Npr = Sc x Nda x 10-6 Npr = 1500 x 5.76 x 10-6 = 8640 x 10-6 = 8.6 x 10-3 (número probable de rayos que puede alcanzar a la construcción). Luego, la probabilidad ponderada será: P0 = 1.0 x 0.8 x 0.3 x 1.0 x 0.3 x 8.6 x 10 -3 = 6.19 x 10-4 A través de la tabla 11.2 se puede concluir que es aconsejable la instalación de una protección contra rayos.
n o
e Z
11/7 Instalaciones Eléctricas II
w
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Capítulo 11: Protección contra descargas atmosféricas
11.4.1 Niveles de pr otección Hay siempre la posibilidad de falla del sistema de pararrayos, pudiendo la construcción protegida, en este caso, ser alcanzada por una descarga atmosférica. A partir de esa premisa, la IE 1024-I determina cuatro diferentes niveles de protección, en base a las cuales deben ser tomadas las decisiones de los proyectos más o menos severas. Esos niveles de protección están así definidos: - Nivel I: Es el nivel más severo en cuanto a la pérdida de patrimonio. Se refiere a las construcciones protegidas, cuya falla en el sistema del pararrayo puede provocar daños a las estructuras adyacentes, tales como las industrias petroquímicas, de materiales explosivos, etc. - Nivel II: Se refiere a las construcciones protegidas, cuya falla en el sistema del pararrayo puede ocasionar la pérdida de bienes de valor estimable, o provocar pánico a los presentes, pueden ser una consecuencia para las construcciones adyacentes. Se encuadran en este nivel los museos, teatros, estadios, etc. - Nivel III: Se refiere a las construcciones de uso común, tales como los edificios residenciales, comerciales e industriales de manufacturados simples. - Nivel IV: Se refiere a las construcciones, donde no es normal la presencia de personas. Son hechas de material no inflamable, siendo el producto almacenado en ellas de material no combustible, tales como almacenes de concreto para productos de construcción. Existen básicamente tres métodos de protección contra las descargas atmosféricas, de los cuales indicaremos uno:
l a
r e
11.4.2 Método de fr anklin
ir T
ir vm.tw o
Consiste en determinar el volumen de protección propiciado por un cono, cuyo ángulo de generatriz con la vertical varía según el nivel de protección deseado y para una determinada altura de construcción. La Tabla 11.3 muestra el ángulo máximo de protección para una altura de construcción no superior a 20 m. La Tabla 11.4 muestra el ángulo de protección contra descargas atmosféricas tomando como bases diferentes Tabla 11.3 Angulo de pr otección
I II
e Z III
IV
Angulo de pr otección (º) 25
n o
Nivel de pr otección
F.zeo
D w w P
35
Dn.c
Tabla 11.4 Angulo de pr otección en ( º ) y altur a de constr ucción
w
Altur a de constr ucción en m
Nivel de pr otección
20
30
45
I
25
45
II
35
25
55
III
45
35
25
IV
55
45
35
60
No permitida la protección por el método de franklin 25
Por ejemplo, en un proyecto de una construcción de propiedad comercial de 12 pisos, o sea, 42 m de altura aproximadamente, el ángulo de protección debe ser de 25º, ya que se trata de un edificio clasificado con nivel de protección III. Los proyectos de instalación de pararrayos por el método de franklin pueden ser elaborados tomándose la siguiente secuencia de cálculo: a) Zona de pr otección Los pararrayos ofrecen una protección dada por un cono cuyo vértice corresponde a la extremidad superior del captor y cuya generatriz hace un ángulo de αn con la vertical, propiciando un radio de la
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Capítulo 11: Protección contra descargas atmosféricas
base del cono de valor dado por la ecuación siguiente: R p = H c x tg α, conforme se observa en el Esquema 11.6 Donde: Rp = Radio de base del cono de protección, en m; Hc =Altura del extremo del captor, en m; α = Ángulo de protección con la vertical dado en la Tabla 11.4. Si hay más de un captor, puede agregarse 10º al ángulo α Se debe establecer una protección del borde de la parte superior de la edificación, a través de un conductor, conectando a la malla de tierra de los captores.
l a
b) Númer o de conductor es de descenso Debe ser función del nivel de protección deseado y de la separación entre los conductores de descenso, o sea:
N cd =
Pco D cd
r e
ir T
Donde: Ncd = Número de conductores de descenso. Pco = Perímetro de construcción, en m; Dcd =Distancia entre los conductores de descenso, dada en la Tabla 11.5.
ir vm.tw o
Tabla 11.5 Distancia máxima entr e los conductor es de descenso Nivel de pr otección I
Dn.c
Distancia máxima (m) 10
F.zeo
II III
D w w P IV
15 20 25
Los conductores de descenso deben ser distribuidos a lo largo de todo el perímetro de construcción, con un espaciamiento máximo en función del nivel de protección deseado y dado en la Tabla 11.5, no itiendo un número de conductores de descenso inferiores a 2.
n o
w
Esquema 11.6 Zona de pr otección
e Z
α Hc
Rp ARCV
11/9 Instalaciones Eléctricas II
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Capítulo 11: Protección contra descargas atmosféricas
El Esquema 11.7 muestra esquemáticamente los conductores de descenso de una construcción fabril. Debe ser mínimo cuatro los números de conductor de descenso en torres o tinglados de altura superior a 25 m en consecuencia transversales cuadradas o hexagonales. Deben ser provistos por lo menos dos captores para las chimeneas o tinglados. Todas las partes metálicas que compone la torre y tinglados, tales como tirantes de estacamiento, fundaciones etc., deben ser debidamente aterradas.
l a
c) Sección del conductor De preferencia deben ser utilizados conductores de cobre duro, principalmente en zonas industriales de elevada polución.
Esquema 11.6 Zona de pr otección
r e
ir T
Protección contra descargas atmosféricas
37.5
12
n o
e Z 10
Dn.c
F.z
18.75
D w w P
18.3
Electrodo de tierra
ir vm.tw o
eo
18.75
10
w
20 10
18.3
18.3
Conductor de bajada
10
Cable de interconexión
Nota: Todas las distancias en metros
La sección mínima de los conductores es dada en función del tipo de material del conductor y de la altura de la edificación, conforme la Tabla 11.6.
11/10 Instalaciones Eléctricas II
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Capítulo 11: Protección contra descargas atmosféricas
Tabla 11.6 Sección de los conductor es de malla super ior y de descenso en mm2 Mater ial conductor
Altur a de la constr ucción ≤ 20 m
> 20 m
Cable de cobre
16
35
Cable de aluminio
35
50
Cable de acero galvanizado
50
80
l a
ir T
Las conexiones entre captores, descensos y masas metálicas y entre los electrodos del aterramiento, la sección mínima del conductor de cobre es de 16 mm2. d) Resistencia de malla de tier r a La resistencia de malla de tierra no debe ser superior a 10 Ω en cualquier época del año. Cuando la construcción es destinada a materiales explosivos o inflamables, la resistencia de malla de tierra no debe ser superior a 1 Ω.
r e
ir vm.tw o
Esquema 11.7
Protección contra descargas atmosféricas (contra impacto directo)
Dn.c
F.zeo
40
D w w P 27.4 20
27.4
n o 37.5
75
w
18.75
(a) Nota: Todas las distancias en metros
21.25 37.5
75 (b)
10
18.75
e Z
Ejemplo de aplicación: Conocida las dimensiones de la industria de manufacturado simple, representada en el Esquema 11.6, proyectar un sistema de protección contra descargas atmosféricas. La vista superior del edificio es mostrada en el Esquema 11.7-a y b. a) Zona de pr otección: Considerando solamente dos pararrayos instalados en los puntos A y B indicados en el esquema 11.7-a, el radio de protección de cada uno debe ser:
11/11 Instalaciones Eléctricas II
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Capítulo 11: Protección contra descargas atmosféricas
R p1 = 20 2 + 18.75 2 = 27.4 m. R pl = H C x tgα Industria de nivel III: α = 45º (Tabla 11.5) Como hay más de un captor, se tiene: α = 45 + 10 = 55º
HC =
R pl tgα
l a
27.4 = 19.18 m tg55
=
ir T
HC = Altura de la punta del captor respecto al tejado, en m Como en general, el mástil es de 3 m, el soporte del conjunto mástil-captor vale: LS = HC – 3 = 19.18 – 3 = 16.18 m Como la longitud del soporte es muy grande, serán considerados cuatro pararrayos instalados de conformidad con el Esquema 11.7-b, debiendo ser el radio de protección de cada uno:
r e
R p 2 = 10 + 18.75 = 21.25 m 2
HC =
R p2 tgα
2
21.25 = 14.87 m tg55
=
Luego, la longitud del soporte es de: LS = HC – 3 = 14.87 – 3 = 11.87 m
ir vm.tw o
Dn.c
F.zeo
El soporte de 11.87 m podrá ser constituido de una torre reticulada de perfiles metálicos, fijándose en su base un aislador de vidrio templado o porcelana vitrificada, aislado para 10 kV. Se puede observar a través del Esquema 11.7-a y b, que todas las partes de la construcción están cubiertas por áreas de protección formadas por los pararrayos.
n o
D w w P w
b) Númer o de conductor de descenso De la ecuación N cd =
e Z
Pco se tiene: D cd
Dcd = 20 m (Tabla 11.5 – nivel de protección III) Pco = 2 x 75 + 2 x 40 = 230 m
N cd =
230 = 11.5 ≈ 12 conductores 20
c) Sección del conductor La sección del conductor debe ser: Sc = 16 mm2, en cable de cobre, según la Tabla 11.6. En cuanto a los aterramientos, se deben realizar las conexiones de los descensos al anillo de tierra o prever por lo menos tres electrodos de tierra para cada descenso, un total de 36 unidades.
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CAPITULO 11 PROTECCION CONTRA DESCARGAS ATMOSFERICAS 11.1 INTRODUCCION Las descargas atmosféricas causan serias perturbaciones en las redes aéreas de transmisión y distribución de energía eléctrica, antes de provocar daños materiales en las construcciones atendidas por ellas, sin contar los riesgos de vida a que las personas o animales están sometidas.
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Las descargas atmosféricas inducen ciertas tensiones que llegan a centenas de kV en las redes aéreas de transmisión y distribución de las concesionarias de energía eléctrica, obligando a utilizar cables de guardia a lo largo de las líneas de tensión más elevadas y pararrayos para la protección de equipos instalados en ese sistema. Cuando las descargas eléctricas entran en o directo con cualquier tipo de construcción, tales como edificios, tanques metálicos de almacenamiento de liquido, partes estructurales de las subestaciones, son registrados grandes daños materiales que podrían ser evitados en caso de que esas construcciones estuviesen protegidas adecuadamente por pararrayos de tipo hasta.
ir
T r
e vw
11.2 CONSIDERACIONES SOBRE EL ORIGEN DE LOS RAYOS
riom.t
A lo largo de los años, varias teorías fueron desenvueltas para explicar el fenómeno de los rayos. Actualmente se tiene como cierta, que la fricción entre las partículas de agua que forman las nubes, provocada por los vientos ascendentes de fuerte intensidad, da origen a una gran cantidad de descargas eléctricas. Se verifica experimentalmente que las cargas eléctricas positivas ocupan la parte superior de la nube, en cuanto a las cargas eléctricas negativas se posicionan en su parte inferior, acarreando consecuentemente una intensa migración de cargas positivas en la superficie de la tierra para un área correspondiente a la localización de las nubes, conforme se puede observar en el Esquema 11.1. De esta forma, las nubes tienen una característica bipolar.
Dn.c
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Como se puede deducir por el Esquema 11.1, la concentración de cargas eléctricas positivas y negativas en una determinada región puede surgir una diferencia de potencial entre la tierra y la nube. El aire presenta una determinada rigidez dieléctrica, normalmente elevada, que dependen de ciertas condiciones ambientales. El aumento de esa diferencia de potencial, que se denomina gradiente de tensión, podrá alcanzar un valor que supere la rigidez dieléctrica del aire entre la nube y la tierra, haciendo que las cargas eléctricas migren en dirección de la tierra, en un trayecto tortuoso y normalmente con ramificaciones, cuyo fenómeno es conocido como descarga piloto. Es de aproximadamente 1 kV/mm el valor del gradiente de tensión para el cual la rigidez dieléctrica del aire se rompe. La ionización del camino seguido por la descarga piloto, propicia condiciones favorables de conductibilidad del ambiente. Manteniéndose elevado el gradiente de tensión en la región entre la nube y la tierra, surge, en función de aproximación de solo una de las ramificaciones de descarga piloto, una descarga ascendente, constituida de cargas eléctricas positivas, denominada de descarga de retorno o principal, de gran intensidad, responsable por el fenómeno conocido como trasvase, que es el dislocamiento de masa del aire circundante encaminamiento del rayo, en función de la elevación de temperatura y consecuentemente del aumento del volumen.
n o
w
e Z
No se tiene precisión de la altura de encuentro entre esos dos flujos de carga que caminan en sentido opuesto, pero se supone que es a pocas decena de metros de la superficie de la tierra. La descarga de retorno al llegar a la nube, provoca, en una determinada región de la misma, una neutralización electrostática temporaria.
11/1 Instalaciones Eléctricas II
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Capítulo 11: Protección contra descargas atmosféricas
Esquema 11.1 Distr ibución de las car gas eléctr icas de las nubes y del suelo
l a
10 km.
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Superficie terrestre
ARCV
En la tentativa de mantener en equilibrio las potencias eléctricas en el interior de la nube, surgen en estas intensas descargas que resultan en la formación de nuevas cargas negativas en su parte inferior, dando inicio a las llamadas descargas reflejadas o secundarias, en el sentido de las nubes para la tierra, siendo como canal conductor aquel seguido por la descarga de retorno que, en su trayectoria ascendente deja al aire intensamente ionizado. El esquema 11.2 ilustra gráficamente la forma de las descargas atmosféricas. Las descargas reflejadas o secundarias pueden acontecer por varias veces, después de concluida la descarga principal. Tomándose como base las mediciones hechas, las intensidades de las descargas atmosféricas pueden ocurrir las siguientes probabilidades:
n o
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97% ≤ 10 kA; 85% ≤ 15 kA; 50% ≤ 30 kA; 20% ≤ 15 kA; 4% ≤ 80 kA
También fue comprobado que la corriente de descarga tiene una única polaridad, esto en una sola dirección. Una onda típica de descarga atmosférica fue determinada para efecto de estudios específicos.
11/2 Instalaciones Eléctricas II
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Capítulo 11: Protección contra descargas atmosféricas
Esquema 11.2 Secuencia de eventos de una descar ga atmosfér ica
l a
(a)
(b)
(c)
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(d)
ir vm.tw o
El esquema 11.3 muestra la conformación de esa onda, en función del tiempo.
Dn.c
Esquema 11.3 For mato car acter ístico de una onda de descar ga atmosfér ica V (kV)
V2
n o V1
e Z
F.zeo
D w w P w
V0
T2
T1
T 0 T (µ.s)
La onda alcanza a su valor máximo de tensión V2 en un tiempo T2, comprendido entre 2 y 10 µs da el valor medio V1, correspondiente al valor medio de caída de onda, es alcanzado en un intervalo de tiempo T1 de 20 a 50 µs, cayendo para V0 = 0, al final de T0 en un intervalo de 100 a 200 µs. El conocimiento de la forma de onda, es de dos valores típicos de tensión y tiempo, y de los porcentajes de su ocurrencia, posibilita los estudios para el dimensionamiento de los para rayos de protección contra sobretensiones en líneas y redes eléctricas y de para rayos de hasta, destinados a la protección de construcciones e instalaciones en general.
11/3 Instalaciones Eléctricas II
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Capítulo 11: Protección contra descargas atmosféricas
11.3 PARARRAYOS DE PUNTA Como se procuró mostrar anteriormente, las descargas atmosféricas pueden dañar seriamente el patrimonio y victimar las personas y animales cuando estos se encuentran dentro del campo eléctrico formando entre las nubes que sólo sean directamente alcanzadas. Utilizando las propiedades de las puntas metálicas de propiciar la canalización de las cargas eléctricas para la atmósfera, llamado poder de las puntas, Franklin concibió un dispositivo que desempeña esta función, que fue denominado pararrayos. Queda claro que las descargas eléctricas dentro de una determinada zona son más fácilmente canalizadas por el pararrayo de que por una estructura de concreto, por ejemplo. El Esquema 11.4 muestra el principio fundamental de la actuación de un pararrayo. Las cargas eléctricas, en ves de irrumpir en un punto cualquiera del suelo, son conducidas hasta las puntas del pararrayo (captor) a través de un cable de excelente conductividad eléctrica (cable de cobre), permitiendo, de esta forma, que las descargas sean efectuadas a través de éste, propiciando la protección de construcción dentro de un determinado rayo de actuación.
l a
r e
Esquema 11.4 Pr incipio fundamental de actuación de un par ar r ayo
D w w P
ir vm.tw o
Dn.c
F.zeo
Pararrayos
ir T
Cable de cobre
Edificio
n o
e Z
w
Malla de tierra
Un sistema de pararrayos de punta, o pararrayos de tipo Franklin, es constituido de diferentes partes, cuyos elementos principales son: a) Captor Principal elemento del pararrayo, es formado normalmente por tres o más puntas de acero inoxidable o cobre. Es también denominado de punta.
11/4 Instalaciones Eléctricas II
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Capítulo 11: Protección contra descargas atmosféricas
b) Var illa (mástil) El soporte del captor, siendo constituido de un tubo de cobre de longitud igual a 5 m y 55 mm de diámetro. Debe ser fijado firmemente sobre un aislador de uso exterior. La función de la varilla es de soportar el captor y servir de conductor metálico. c) Aislador Es la base de fijación de la varilla o mástil. Normalmente es utilizado en aisladores fabricados en porcelana vitrificada o vidrio templado, para un nivel de tensión de 10 kV. d) Conductor de descenso Es el conductor metálico que hace de conexión entre el mástil o captor y el electrodo de tierra. El conductor de descenso puede ser de cobre comercial de conductividad mínima de 98% para el tipo recosido, o aluminio, apropiado para la utilización como conductor eléctrico. También pueden ser utilizadas cintas o flejes metálicas e) Electr odo de tier r a Los conductores de descenso son conectados a sus extremidades inferiores a tres o más electrodos de tierra, cuyo valor de resistencia de aterramiento no deberá ser superior a 10 Ω para instalaciones en general y 1 Ω para edificaciones destinados a materiales explosivos o fácilmente inflamables. f) Conector de medición Es así denominado a la conexión desmontable destinada a permitir la medición de resistencias de aterramiento. Debe ser instalada a 2 m. o más arriba del nivel del suelo. El Esquema 11.5 muestra los principales elementos anteriormente descritos formando un conjunto completo de protección contra descargas atmosféricas.
l a
r e
ir T
ir vm.tw o
Esquema 11.5 Elemento de un sistema de pr otección contr a descar gas atmosfér icas
Dn.c
F.zeo Mástil
D w w P
Aislador
n o
Captor Conector
Conductor de descenso (bajada) d ≥ 20 cm. Soporte del conductor de bajada
w
2 m.
e Z
Conector de medición
Protección no metálica (Ejm. PVC)
Electrodos
ARCV
11/5 Instalaciones Eléctricas II
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Capítulo 11: Protección contra descargas atmosféricas
11.4 DIMENSIONAMIENTO DE UNA INSTALACION DE PARARRAYOS El correcto dimensionamiento de una instalación de protección contra descargas atmosféricas, proporciona un elevado grado de seguridad a las construcciones en general y en particular a los edificios industriales, principalmente aquellas que trabajan con productos de alto riesgo y están localizadas en regiones de elevado índice ceráunico, que representa el número de días de tormenta por año. Ese dimensionamiento será hecho tanto para la protección de construcciones en general, como para la protección de subestaciones de consumidores instaladas a la intemperie. Antes de tomar una decisión aleatoria sobre la necesidad de dotar determinada construcción de una protección adecuada contra la incidencia de rayos, es prudente que se calcule la probabilidad ponderada que permitirá una decisión técnica sobre la instalación. El método a ser utilizado es de la norma BS 6651 (origen inglesa). Ese método considera valores de ponderación en función del tipo de ocupación predial, material de construcción utilizado, localización etc., de acuerdo con la Tabla 11.1.
l a
Tabla 11.1 Factor de ponder ación Tipo de ocupación
A
Mater ial de constr ucción
B
Contenido
Habitación
Construcción de 0.3 cobertura no metálica
Sin valor 0.2 patrimonial o histórico
Habitación con antena externa
Construcción de concreto y 0.7 cobertura no metálica
0.4
Construcciones industriales
n o
F.zeo
Subestaciones, centrales telefónicas, 0.8 instalaciones de gas, estaciones de radio y TV Museos, monumentos y 1.0 construcciones de la misma naturaleza
11/6 Instalaciones Eléctricas II
Localización
D
Topogr afía
E
Áreas circundadas por árboles o 0.3 estructuras de cualquier naturaleza
0.4 Planicies
0.3
Áreas semiaisladas
1.0 Colinas
1.0
Montañas con 2.0 altura entre 300 a 900 m
1.3
0.8
1.0 Áreas aisladas
w
Construcciones destinadas a Construcción de 1.2 hoteles, alvenaria moteles, salas comerciales Construcciones destinadas a Escuelas, shopping center, Construcción de 1.3 1.4 hospitales y museos, centros madera similares deportivos y similares Construcción de Escuela, alvenaria o madera 1.7 1.7 hospitales y con cobertura similares metálica Construcción con cobertura de tejas y 2.0 similares
e Z
ir vm.tw o C
Dn.c
Sensibles a daños
D w w P
Construcción de 1.0 metal o concreto y cobertura metálica
r e
ir T
1.3
1.7
Montañas con altura encima de 1.7 900 m
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Capítulo 11: Protección contra descargas atmosféricas
El factor de ponderación final es dado por la siguiente ecuación: P 0 = A x B x C x D x E x Npr Donde: A, B, C, D, E, F = Factor de ponderación de la Tabla 11.1, Npr = Número probable de rayos que pueda alcanzar a la construcción y es dado por la siguiente ecuación: Npr = Sc x Nda x 10-6 Sc = Área de construcción en m2; Nda = Densidad de rayos, en rayos /km2/año, dada por la ecuación siguiente:
N da = α .N βt
l a
ir T
Nt = Índice ceráunico, o sea número de días con rayos por año; α = 0.023 β = 1.3 A partir de los valores de P0, se puede determinar, a través de la Tabla 11.2, la necesidad o no de incluir la protección contra las descargas atmosféricas.
ir vm.tw o
Tabla 11.2 Pr obabilidad ponder ada Pr obabilidad ponder ada P0 < 10 -4
-5
10 > P0 > 10
Ejemplo de aplicación:
Pr otección deseada
Dn.c
No aconsejada
-5
P0 > 10-4
r e
F.zeo
D w w P
Aconsejada Obligatoria
Una planta industrial de ramo metalmecánica, con un área plana de 1500 m2 y altura de 8 m, localizada en terreno plano de poca arborización, es constituida de concreto armado con cobertura metálica. Determinar la necesidad de protección contra descargas atmosféricas, sabiendo que la región (Cochabamba) presenta un índice ceráunico medio de 70 días con rayos (descargas) por año. De la Tabla 11.1 para la ecuación P 0 = A x B x C x D x E x Npr , se tiene: A = 1.0 B = 0.8 C = 0.3 D = 1.0 E = 0.3 N da = α .N βt = 0.023 x 701.3 = 5.76 descarga/km2/año Nt = 70 Npr = Sc x Nda x 10-6 Npr = 1500 x 5.76 x 10-6 = 8640 x 10-6 = 8.6 x 10-3 (número probable de rayos que puede alcanzar a la construcción). Luego, la probabilidad ponderada será: P0 = 1.0 x 0.8 x 0.3 x 1.0 x 0.3 x 8.6 x 10 -3 = 6.19 x 10-4 A través de la tabla 11.2 se puede concluir que es aconsejable la instalación de una protección contra rayos.
n o
e Z
11/7 Instalaciones Eléctricas II
w
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Capítulo 11: Protección contra descargas atmosféricas
11.4.1 Niveles de pr otección Hay siempre la posibilidad de falla del sistema de pararrayos, pudiendo la construcción protegida, en este caso, ser alcanzada por una descarga atmosférica. A partir de esa premisa, la IE 1024-I determina cuatro diferentes niveles de protección, en base a las cuales deben ser tomadas las decisiones de los proyectos más o menos severas. Esos niveles de protección están así definidos: - Nivel I: Es el nivel más severo en cuanto a la pérdida de patrimonio. Se refiere a las construcciones protegidas, cuya falla en el sistema del pararrayo puede provocar daños a las estructuras adyacentes, tales como las industrias petroquímicas, de materiales explosivos, etc. - Nivel II: Se refiere a las construcciones protegidas, cuya falla en el sistema del pararrayo puede ocasionar la pérdida de bienes de valor estimable, o provocar pánico a los presentes, pueden ser una consecuencia para las construcciones adyacentes. Se encuadran en este nivel los museos, teatros, estadios, etc. - Nivel III: Se refiere a las construcciones de uso común, tales como los edificios residenciales, comerciales e industriales de manufacturados simples. - Nivel IV: Se refiere a las construcciones, donde no es normal la presencia de personas. Son hechas de material no inflamable, siendo el producto almacenado en ellas de material no combustible, tales como almacenes de concreto para productos de construcción. Existen básicamente tres métodos de protección contra las descargas atmosféricas, de los cuales indicaremos uno:
l a
r e
11.4.2 Método de fr anklin
ir T
ir vm.tw o
Consiste en determinar el volumen de protección propiciado por un cono, cuyo ángulo de generatriz con la vertical varía según el nivel de protección deseado y para una determinada altura de construcción. La Tabla 11.3 muestra el ángulo máximo de protección para una altura de construcción no superior a 20 m. La Tabla 11.4 muestra el ángulo de protección contra descargas atmosféricas tomando como bases diferentes Tabla 11.3 Angulo de pr otección
I II
e Z III
IV
Angulo de pr otección (º) 25
n o
Nivel de pr otección
F.zeo
D w w P
35
Dn.c
Tabla 11.4 Angulo de pr otección en ( º ) y altur a de constr ucción
w
Altur a de constr ucción en m
Nivel de pr otección
20
30
45
I
25
45
II
35
25
55
III
45
35
25
IV
55
45
35
60
No permitida la protección por el método de franklin 25
Por ejemplo, en un proyecto de una construcción de propiedad comercial de 12 pisos, o sea, 42 m de altura aproximadamente, el ángulo de protección debe ser de 25º, ya que se trata de un edificio clasificado con nivel de protección III. Los proyectos de instalación de pararrayos por el método de franklin pueden ser elaborados tomándose la siguiente secuencia de cálculo: a) Zona de pr otección Los pararrayos ofrecen una protección dada por un cono cuyo vértice corresponde a la extremidad superior del captor y cuya generatriz hace un ángulo de αn con la vertical, propiciando un radio de la
11/8 Instalaciones Eléctricas II
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Capítulo 11: Protección contra descargas atmosféricas
base del cono de valor dado por la ecuación siguiente: R p = H c x tg α, conforme se observa en el Esquema 11.6 Donde: Rp = Radio de base del cono de protección, en m; Hc =Altura del extremo del captor, en m; α = Ángulo de protección con la vertical dado en la Tabla 11.4. Si hay más de un captor, puede agregarse 10º al ángulo α Se debe establecer una protección del borde de la parte superior de la edificación, a través de un conductor, conectando a la malla de tierra de los captores.
l a
b) Númer o de conductor es de descenso Debe ser función del nivel de protección deseado y de la separación entre los conductores de descenso, o sea:
N cd =
Pco D cd
r e
ir T
Donde: Ncd = Número de conductores de descenso. Pco = Perímetro de construcción, en m; Dcd =Distancia entre los conductores de descenso, dada en la Tabla 11.5.
ir vm.tw o
Tabla 11.5 Distancia máxima entr e los conductor es de descenso Nivel de pr otección I
Dn.c
Distancia máxima (m) 10
F.zeo
II III
D w w P IV
15 20 25
Los conductores de descenso deben ser distribuidos a lo largo de todo el perímetro de construcción, con un espaciamiento máximo en función del nivel de protección deseado y dado en la Tabla 11.5, no itiendo un número de conductores de descenso inferiores a 2.
n o
w
Esquema 11.6 Zona de pr otección
e Z
α Hc
Rp ARCV
11/9 Instalaciones Eléctricas II
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Capítulo 11: Protección contra descargas atmosféricas
El Esquema 11.7 muestra esquemáticamente los conductores de descenso de una construcción fabril. Debe ser mínimo cuatro los números de conductor de descenso en torres o tinglados de altura superior a 25 m en consecuencia transversales cuadradas o hexagonales. Deben ser provistos por lo menos dos captores para las chimeneas o tinglados. Todas las partes metálicas que compone la torre y tinglados, tales como tirantes de estacamiento, fundaciones etc., deben ser debidamente aterradas.
l a
c) Sección del conductor De preferencia deben ser utilizados conductores de cobre duro, principalmente en zonas industriales de elevada polución.
Esquema 11.6 Zona de pr otección
r e
ir T
Protección contra descargas atmosféricas
37.5
12
n o
e Z 10
Dn.c
F.z
18.75
D w w P
18.3
Electrodo de tierra
ir vm.tw o
eo
18.75
10
w
20 10
18.3
18.3
Conductor de bajada
10
Cable de interconexión
Nota: Todas las distancias en metros
La sección mínima de los conductores es dada en función del tipo de material del conductor y de la altura de la edificación, conforme la Tabla 11.6.
11/10 Instalaciones Eléctricas II
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Capítulo 11: Protección contra descargas atmosféricas
Tabla 11.6 Sección de los conductor es de malla super ior y de descenso en mm2 Mater ial conductor
Altur a de la constr ucción ≤ 20 m
> 20 m
Cable de cobre
16
35
Cable de aluminio
35
50
Cable de acero galvanizado
50
80
l a
ir T
Las conexiones entre captores, descensos y masas metálicas y entre los electrodos del aterramiento, la sección mínima del conductor de cobre es de 16 mm2. d) Resistencia de malla de tier r a La resistencia de malla de tierra no debe ser superior a 10 Ω en cualquier época del año. Cuando la construcción es destinada a materiales explosivos o inflamables, la resistencia de malla de tierra no debe ser superior a 1 Ω.
r e
ir vm.tw o
Esquema 11.7
Protección contra descargas atmosféricas (contra impacto directo)
Dn.c
F.zeo
40
D w w P 27.4 20
27.4
n o 37.5
75
w
18.75
(a) Nota: Todas las distancias en metros
21.25 37.5
75 (b)
10
18.75
e Z
Ejemplo de aplicación: Conocida las dimensiones de la industria de manufacturado simple, representada en el Esquema 11.6, proyectar un sistema de protección contra descargas atmosféricas. La vista superior del edificio es mostrada en el Esquema 11.7-a y b. a) Zona de pr otección: Considerando solamente dos pararrayos instalados en los puntos A y B indicados en el esquema 11.7-a, el radio de protección de cada uno debe ser:
11/11 Instalaciones Eléctricas II
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Capítulo 11: Protección contra descargas atmosféricas
R p1 = 20 2 + 18.75 2 = 27.4 m. R pl = H C x tgα Industria de nivel III: α = 45º (Tabla 11.5) Como hay más de un captor, se tiene: α = 45 + 10 = 55º
HC =
R pl tgα
l a
27.4 = 19.18 m tg55
=
ir T
HC = Altura de la punta del captor respecto al tejado, en m Como en general, el mástil es de 3 m, el soporte del conjunto mástil-captor vale: LS = HC – 3 = 19.18 – 3 = 16.18 m Como la longitud del soporte es muy grande, serán considerados cuatro pararrayos instalados de conformidad con el Esquema 11.7-b, debiendo ser el radio de protección de cada uno:
r e
R p 2 = 10 + 18.75 = 21.25 m 2
HC =
R p2 tgα
2
21.25 = 14.87 m tg55
=
Luego, la longitud del soporte es de: LS = HC – 3 = 14.87 – 3 = 11.87 m
ir vm.tw o
Dn.c
F.zeo
El soporte de 11.87 m podrá ser constituido de una torre reticulada de perfiles metálicos, fijándose en su base un aislador de vidrio templado o porcelana vitrificada, aislado para 10 kV. Se puede observar a través del Esquema 11.7-a y b, que todas las partes de la construcción están cubiertas por áreas de protección formadas por los pararrayos.
n o
D w w P w
b) Númer o de conductor de descenso De la ecuación N cd =
e Z
Pco se tiene: D cd
Dcd = 20 m (Tabla 11.5 – nivel de protección III) Pco = 2 x 75 + 2 x 40 = 230 m
N cd =
230 = 11.5 ≈ 12 conductores 20
c) Sección del conductor La sección del conductor debe ser: Sc = 16 mm2, en cable de cobre, según la Tabla 11.6. En cuanto a los aterramientos, se deben realizar las conexiones de los descensos al anillo de tierra o prever por lo menos tres electrodos de tierra para cada descenso, un total de 36 unidades.
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