Ramirez rocha

UNIVERSIDAD VERACRUZANA
FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA ELECTRICA
ZONA POZA RICA– TUXPAN
“INGENIERIA APLICADA PARA LA SELECCIÓN DE
PARARRAYOS Y SISTEMAS DE TIERRA”
TESINA
QUE PARA OBTENER EL TITULO DE:
INGENIERO MECÁNICO ELÉCTRICISTA
PRESENTA:
MARCOS ISAURO RAMÍREZ ROCHA
DIRECTOR DE TRABAJO RECEPCIONAL:
ING. CARLOS ALARCON ROSAS
POZA RICA DE HGO., VER.

INDICE
NOMENCLATURA
INTRODUCCIÓN
CAPITULO I
Justificación 3
Naturaleza, sentido y alcance del trabajo 4
Enunciación del tema 5
Explicación de la estructura del trabajo 6
CAPITULO II
Planteamiento del tema de la investigación 8
Marco contextual 9
Marco teórico:
1.0 Descargas atmosféricas 11
1.1. Teorías sobre la formación de descargas atmosféricas 11
1.2. Características de las descargas atmosféricas 16
1.3. Campos eléctricos 18
1.4. Formación y producción de descargas 21
1.5. Estructura eléctrica de una tormenta 23
1.6. Diferencia de potencial en las descargas atmosféricas 24
1.7. Longitud de las descargas atmosféricas 25
1.8. Otras magnitudes energéticas 25
1.9. Daños que pueden causar 26
1.10. Generalidades sobre efectos del rayo 27
1.11. Consecuencias térmicas del rayo 27
1.12. Consecuencias dinámicas del rayo 29
1.13. Efectos químicos 29
1.14. Conclusiones de las teorías sobre la formación del rayo 30

2.0 Tipos de pararrayos existentes 31
2.1 Generalidades de los pararrayos 31
2.2 Estructura de una instalación de pararrayos 36
2.3 Pararrayos Franklin 43
2.4 Pararrayos Melsens 44
2.5 Pararrayos pasivos 46
2.6 Pararrayos de jaula 46
2.7 Pararrayos Activos 46
2.8 Pararrayos radioactivos 47
2.9 Pararrayos de efecto corona 50
2.10 Pararrayos Magnetizados 52
3.0 Diseño del sistema de Protección 53
3.1. Consideraciones para el diseño 53
3.2. Diferentes tipos de edificios a considerar en
protección contra descargas atmosféricas 53
3.3. Especificaciones 55
3.4. Diseño del sistema de protección 70
3.5. Diseño del sistema en base a las instalaciones 74
4.0 Sistemas de tierra 84
4.1 Estudio de la resistividad del terreno 84
4.2 Definiciones de sistemas de tierra 87
4.3. Revisión del sistema de tierras 89
4.4 Clasificación de los sistemas de tierra 90
4.5. Componentes básicos 92
4.6 Materiales empleados en la red de tierras 93
4.7 Características del sistema de tierra 97
4.8 El problema básico del aterrizado seguro 98

4.9 Condiciones desfavorables para los sistemas de tierra 99
4.10 Efectos de Recierres 100
4.11 Tensión de paso 100
4.12 Factores que intervienen para elegir un buen sistema
De tierras 101
4.13 Selección de las redes de tierra 102
4.14 Sistemas de tierras profundas 105
4.15 Sistemas de tierra EP-C 106
4.16 Sistemas de tierra en placa 106
4.17 Otros sistemas de tierra 106
5.0 Factores importantes para el diseño de red de tierras 110
5.1 Recomendaciones practicas para la medición de la
resistividad del terreno en área donde se construirá una
subestación 110
5.2 Efectos de gradiente de voltaje 114
5.3 Efectos de la Humedad 114
5.4 Efectos del contenido Químico 115
5.5 Efecto de la temperatura 117
5.6 Métodos de reducción de valores de resistencia y
resistividad del terreno 117
5.7 Efectos de la temperatura sobre la resistividad del terreno 117
5.8 Resistividad de distintos materiales 122
6.0 Calculo del Sistema de tierras 126
CAPITULO III
CONCLUSIONES 141
BIBLIOGRAFIA 142
ANEXOS 143
APENDICES 187

1
INTRODUCCÓN
En el diseño y proyecto de las instalaciones destinadas al suministro o a la
utilización de la energía eléctrica, una de las mayores preocupaciones de los
ingenieros de diseño ha sido como conectar a tierra los equipos eléctricos de
una manera segura y apropiada.
Este problema existe en todos los campos de la ingeniería eléctrica desde las
bajas corrientes a tierra de los equipos electrónicos de estado sólido, hasta las
altas corrientes a tierra de las grandes subestaciones en extra alta tensión.
A causa de las altas corrientes de falla disponibles hoy en día, es esencial un
buen sistema de tierras en todas las partes del sistema eléctrico, ya sea en
subestaciones, líneas de transmisión o distribución o en equipos de baja
tensión.
En las subestaciones eléctricas, uno de los aspectos principales para la
protección contra sobre tensiones, ya sea en origen interno o externo, es el
disponer un adecuado sistema de tierras al cual se conecta el neutro de los
equipos eléctricos y a todas aquellas partes metálicas que deben estar a
potencial de tierra.

3
JUSTIFICACIÓN
“Alcanzado por un rayo”, es una metáfora para lo inesperado, un desastre
impredecible; una gran tormenta eléctrica, puede producir hasta 100 descargas
por minuto y , una pequeña nube de tormenta puede generar la energía de una
pequeña planta de fuerza nuclear (unos pocos cientos de Megawatts).
No todos los rayos descargan a tierra, pero cuando ésto ocurre, esa energía
puede ser devastadora. Una empresa de telecomunicaciones, puede salir de
operación por horas o días, debido a daños en el equipo, o una planta
petroquímica puede tener incendios originados por rayos, con peligrosos
riesgos y elevados costos.
Hasta hace relativamente poco tiempo, se podía hacer para minimizar estos
riesgos. Cuando y donde ocurrirán las descargas eléctricas atmosféricas
tradicionalmente, la protección contra rayos ha pretendido atraer y desviar la
energía de una descarga eléctrica atmosférica hacia la tierra física,
Al mismo tiempo que éste puede eliminar algunos de los graves efectos de un
impacto directo, resultan otras desventajas y serios inconvenientes.
Ninguno de los sistemas tradicionales son 100% efectivos y todos ellos
afectados por los efectos secundarios en relación a la proximidad con los
campos electrostáticos y campos electromagnéticos. Todos los rayos son
peligrosos, especialmente en áreas donde se manejan productos flamables,
explosivos y equipos electrónicos.

4
NATURALEZA, SENTIDO Y ALCANCE DEL TRABAJO
No hay duda acerca del peligro que implican los rayos y sus efectos asociados
a incendios, lesiones o perdida de la vida, daños, destrucción a propiedades,
perdidas significativas de tiempo y dinero por salidas de operación, debidas a
daños en los equipos, todo esto convierte a los rayos en una seria amenaza
Los efectos secundarios pueden resultar devastadores, esto resulta
especialmente cierto para líneas de energía e instalaciones en equipos
electrónicos que son muy sensibles.
Efectos Directos
Los efectos directos de un rayo, son la destrucción física, causada por el
impacto pueden resultar incendios. Cuando un impacto directo golpea una
instalación donde hay materiales combustibles. Pueden estar expuestos al
rayo, el canal del rayo el efecto de calentamiento del rayo.
Las estadísticas de la industria petrolera, registran amplia evidencia de la
naturaleza destructiva de los rayos. Millones de dólares en pérdidas se
registran cada año por la destrucción de plantas petroquímicas y muchas otras
instalaciones, por los fenómenos relacionados con las descargas eléctricas
atmosféricas en muchas partes del mundo, además de perdidas de vida
cuando esas instalaciones se incendian o explotan.
Efectos Secundarios
Los efectos secundarios de un impacto de rayo directo o cercano a una
instalación incluyen; La carga electrostática del pulso electromagnético y los
pulsos electroestáticos, las corrientes de tierra y el voltaje transitorio.
Datos estadísticos indican que los efectos secundarios, son la causa de la
mayoría de los incendios reportados actualmente en instalaciones petroleras.

5
ENUNCIACION DEL TEMA
La Enunciación del tema de mi trabajo recepcional es “Ingeniería Aplicada
Para la selección de pararrayos Y sistemas de tierra” en donde se propone,
que permita a la persona interesada tener un procedimiento para la selección
de pararrayos y el calculo adecuado de sistema de tierras.
Desde el primer momento en que se tiene conocimiento de que un rayo es una
descarga eléctrica, científicos e ingenieros han estudiado e investigado con
profundidad las tormentas y descargas eléctricas atmosféricas (sin embargo, la
protección contra los rayos no han cambiado substancialmente desde los
tiempos de Benjamín Franklin).
Después de siglos de investigación, nuevos y sofisticados instrumentos que
han aportado grandes conocimientos, todavía hay muchas incógnitas acerca de
este fenómeno que no ha sido claramente entendido como opera la protección
contra descargas eléctricas atmosféricas y cual es el sistema mas adecuado
para diferentes aplicaciones es necesario un análisis del lo que es el
fenómeno.
Una red de tierra en una subestación es la de cumplir con las siguientes
funciones:
a) Proporcionar un circuito de muy baja impedancia para la circulación de
las corrientes de tierra, ya sean debidas a una falla de aislamiento o la
elección de un pararrayo.
b) Evitar que durante la circulación de estas corrientes de tierra pueden
producirse diferencias de potencial entre distintos puntos de las
subestaciones, que pueden ser peligrosos para el personal.
c) Facilitar mediante sistemas de relevadores, la eliminación de las fallas a
tierra en los sistemas eléctricos
d) Dar mayor confiabilidad y continuidad al servicio eléctrico

6
EXPLICACIÓN DE LA ESTRUCTURA DEL TRABAJO
En este proyecto el lector podrá ver de manera concisa y comprender los
temas que se involucran en el diseño y construcción de sistemas de protección
contra descargas atmosféricas, así también como el cuidado que se debe tener
al seleccionar el tipo pararrayos y sistemas de tierra. Para no caer en errores
que puedan ser costosos tanto de tiempo como económicos.
El desarrollo de este proyecto se divide en 3 capítulos y comprenden los
siguientes temas:
En el capitulo I se encuentra la justificación de este proyecto, su naturaleza
sentido y alcance, la enunciación del tema y la explicación de la estructura del
trabajo.
En el capitulo II se observa el planteamiento del tema de investigación, el
marco contextual, es decir, los factores que intervienen en este proyecto,
seguido por el marco teórico el cual esta dividido en 6 temas los cuales son:
1) Descargas atmosféricas
2) Tipos de pararrayos existentes
3) Diseño de sistemas de protección Sistemas de tierra
4) Sistemas de tierra
5) Factores importantes para el diseño de red de tierras
6) Calculo de sistemas de tierra
En el capitulo III se encuentran las conclusiones a las que se llego, la
bibliografía de donde se obtuvo nuestra información para el desarrollo del
proyecto así como los anexos y apéndices.

8
PLANTEAMIENTO DEL TEMA DE LA INVESTIGACIÓN
El motivo principal de este trabajo de investigaciones es proporcionar a
estudiantes de Ingeniería Mecánica Eléctrica información relativa a la
protección contra las descargas atmosféricas con el uso de pararrayos y
sistemas de tierra
En este trabajo se utilizará de manera sencilla y práctica una teoría de
selección de pararrayos y sistemas de tierra.
Esperando que esta información le sirva al lector, como una consulta en los
proyectos en donde se involucren la protección de sistemas eléctricos, contra
descargas atmosféricas.

9
MARCO CONTEXTUAL
Esta investigación, se desarrolla a partir de información recopilada en distintas
bibliotecas nacionales (Biblioteca Enzo-Levi UNAM; Biblioteca del Instituto
Mexicano del Petróleo; Biblioteca del Instituto Politécnico Nacional Y
CINVESTAV DEL IPN); sin embargo la aplicación de este conocimiento se
llevará a cabo en las instalaciones de la Facultad de Ingeniería Mecánica
Eléctrica de la U.V. Poza Rica en el proyecto sobre Alternativas de generación
de Energía Eléctrica.

11
1.0 DESCARGAS ATMOSFERICAS
1.1 TEORÍAS SOBRE LA FORMACIÓN DE LAS DESCARGAS
ATMOSFERÍCAS
El rayo una inmensa chispa eléctrica natural, llamada también descarga
atmosférica; es él arma más poderosa dé la naturaleza, además de que tiene
un promedio de ocurrencia dé 100 veces por segundo sobré la faz dé la tierra.
Sé le conoce más por sus efectos nocivos, aunque son más los beneficios que
proporciona.
Se desconoce el proceso exacto por el cual la atmósfera o una nube adquiere
cargas eléctricas de tal magnitud qué dan origen al rayo o descarga
atmosférica.
Sé han emitido varias teorías para explicar la acumulación de éstas cargas,
pero el problema es complejo y aunque sé reproduce en el laboratorio, éste no
es significativo por los valores de corriente alcanzados, además de lo aleatorio
de las condiciones necesarias para que ocurra la descarga en una tormenta.
1.1.1 Teoría de Simpson.
Simpson manifestó que la formación de cargas eléctricas en las nubes se debe
a corrientes de aire que sé encuentran en su interior.
Las corrientes de aire ascendentes transportan vapor húmedo del mar o de la
superficie terrestre, este vapor al encontrarse a determinada altura y bajo
condiciones atmosféricas propicias, se condensa transformándose en gotas de
agua.

12
Cuando se inicia la lluvia en su caída, las gotas encuentran corrientes de airé
ascendentes que provocan el rompimiento de las mismas, formándose gotas
más pequeñas, éstas gotas por un procedimiento parecido vuelven a
fraccionarse en tamaños menores, al ocurrir él rompimiento de las gotas, sé
desprenden iones negativos; generando así, cargas eléctricas que se dispersan
en la atmósfera y al mismo tiempo son llevados por las corrientes de airé
ascendentes a la parte superior de la nube, en tanto la parte inferior de la nube
sé carga en forma positiva.
1.1.2 Teoría de Elster y Geitel.
Esta teoría sé fundamenta en estudios realizados sobré una gota grande de
lluvia a través del campo eléctrico de la misma, cuyo gradiente superficial es de
100 volts por metro dé altura; debido a la acción de esté campo, la gota se
polariza en la parte inferior por una gota positiva.
La gota cargada eléctricamente en su caída, se encuentra con corrientes dé
airé ascendentes que le producen una disminución dé tamaño, continuando su
caída hacia la tierra, pudiendo así encontrar gotas dé mayor tamaño,
desequilibrándose eléctricamente. El contacto dé gotas dé diferentes tamaños
se repetirá frecuentemente, originándose este valor hasta llegar a un valor
crítico, qué produce la descarga o rayo.
Esté proceso descrito en 1885, permite explicar la carga positiva de la lluvia,
pero no la formación dé los campos eléctricos dé las tormentas.
1.1.3 Teoría de Wilson.
Según C.T. Wilson, una gota polarizada capta durante su caída más iones
negativos qué positivos, cargándose por ésta razón en medida creciente con
electricidad negativa.

13
En la atmósfera normalmente existe una gran cantidad de iones negativos y
positivos qué sé mueven en diferentes direcciones con una velocidad promedio
dé un centímetro por segundo, bajo la acción de un campo eléctrico de un volt
por centímetro (experimento dé Wilson).
La existencia dé iones en él airé los estima en el orden dé 1000 positivos y 800
negativos por centímetro cúbico, Juan Jagsich nos dice qué en Pilar, cerca dé
Córdova, Argentina, sé registraron en término medio 2,272 iones por
centímetro cúbico, de los cuales 1,147 fueron dé carga positiva y 1,125 de
carga negativa.
Wilson especifica también qué para estudiar él origen de las descargas
atmosféricas en las nubes, es necesario considerar el rompimiento dé las gotas
de una tormenta; por consiguiente, una separación dé su carga eléctrica
respectiva en él proceso dé lluvia, las gotas hacen contacto con iones
eléctricos dando origen a qué aumenté la ionización de la atmósfera, facilitando
la formación de trayectoria del canal del rayo para descargar hacia la tierra o
hacia la nube.
1.1.4 Teoría de Findeisen y Wichamann
El hielo en la nube tiene importancia en la acumulación de cargas eléctricas
que produce el rayo. La teoría de Findeisen y Wichmann, suponen que de los
cristales de hielo en caída se desprenden astillas cargadas de electricidad
negativa.
Estas astillas, debido a su reducido peso, quedarían flotando en el espacio,
mientras que los "granos" de hielo, considerablemente más pesados y en
continuo crecimiento, prosiguen su caída. De esta manera hay una separación
de cargas en la nube.

14
1.1.5 Teoría de Brook
Esta teoría se basa en el contacto que tiene un granizo con otro, por el efecto
volta permitiendo así que el aire adquiera una carga positiva y el hielo quede
cargado negativamente, en el laboratorio se ha podido comprobar que el hielo
al formarse queda cargado negativamente.
1.1.6 Teoría de Sir Basil Schonland.
Según este científico la descarga atmosférica está vinculada con las nubes.
Cuando una típica nube de tormenta comienza a formarse, una masa de aire
cálido asciende; esta masa transporta una considerable cantidad de humedad,
en forma de vapor de agua.
A medida que la masa se eleva, se va enfriando; entonces puede retener
menos vapor de agua que cuando estaba más caliente. El vapor sobrante se
condensa en diminutas gotas que forman nubes.
El agua generalmente se congela a cero grados centígrados, sin embargo, bajo
ciertas condiciones permanece líquida a temperatura mucho mas baja, aún a -
4 grados centígrados, en este estado se dice que el agua esta sobre enfriada.
Las gotas que se forman en las nubes de tormenta, se sobre enfrían,
elevándose mucho más arriba que el nivel en que la atmósfera se encuentra a
cero grados centígrados.
Finalmente, alcanza una altura tal, en que la temperatura desciende a -40
grados centígrados, entonces las gotas se transforman en pequeños trozos de
hielo. Algunas de las gotas al congelarse se unen a otras.
De esta manera forman pequeñas piedras de granizo que comienzan a caer a
causa de su peso; pero continuamente chocan contra las gotas sobre enfriadas

15
que ascienden, el agua de cada gota se congela sobre la piedra de granizo con
la que choca, y gradualmente, estas piedras aumentan de tamaño.
Al chocar contra cada gota, la piedra de granizo adquiere una carga negativa,
Sir Basil estaba convencido de que millones de estos choques entre las gotas
de agua y las piedras de granizo producen en la nube la carga eléctrica que
origina el rayo.
Al mismo tiempo, una pequeña astilla de hielo se desprende de la gota de agua
cuando esta se congela, la astilla lleva una carga positiva, las corrientes de aire
ascendentes transportan estas astillas y sus cargas positivas a las partes más
elevadas de la nube.
A medida que las astillas con carga positiva se elevan en la nube, las piedras
de granizo cargadas negativamente caen hacia la base, que es más caliente,
entonces estas se derriten para transformarse en grandes gotas de agua.
Este proceso puede continuar por una hora, durante este tiempo toda la nube
es como un inmenso generador. Mientras se ha estado produciendo el proceso
principal de carga, un efecto similar pero en menor escala se ha producido en
la base de la nube, debajo del polo negativo. Ahí es donde ocurre el disparo
que desata el rayo.
La descarga salta de este receptáculo de electricidad positiva al polo negativo,
situado un poco más arriba, entonces toda la carga positiva inferior, así como
parte de la negativa queda neutralizada, además, el trayecto a través del cual
ocurre la descarga el aire se ioniza, provocando que se comporte como un
conductor.
Por él desciende el resto de la carga negativa, que continúa en su trayectoria
hacia abajo, atraída por una carga positiva en la superficie de la tierra.

16
La descarga no salta en una enorme chispa, sino que se orienta guiada por
variaciones locales en el campo eléctrico que tiene por delante. Puede formar
ramas, que se bifurcan hacia uno y otro lado.
(VER EN ANEXOS FIGURA 1, 2,3) se observa que al formarse el hielo
queda cargado negativamente
1.2 CARACTERÍSTICAS DE LAS DESCARGAS ATMOSFÉRICAS.
El aislamiento de los sistemas eléctricos, está continuamente bajo esfuerzo y
para que no se dañe o falle, debe limitarse al valor de las sobré tensiones que
se presenten durante el funcionamiento de dichos sistemas.
Las sobretensiones en cuestión, pueden ser de origen interno y de origen
externo o atmosférico, siendo estas últimas las que mayores magnitudes
alcanzan, aunque se presentan con menor frecuencia que las primeras.
Las descargas atmosféricas se deben principalmente a nubes cargadas a un
potencial elevado, cuya polaridad es opuesta a la de tierra.
Puede compararse el rayo con el salto de la chispa entre las placas de un
condensador de enormes dimensiones, donde las nubes forman una placa, la
superficie de la tierra otra y el aire su dieléctrico.
Cuando la carga de algunas nubes adquiere una elevada concentración y el
gradiente de potencial supera la rigidez dieléctrica del aire interpuesto, se
produce la ruptura, constituyendo el rayo una comente de aire ionizado.
Las descargas atmosféricas sobre líneas aéreas pueden alcanzar magnitudes
hasta de 2500 KV, 200 KA y frecuencias del orden de 100 KHz. Sin embargo,
aunque la tensión y la intensidad de la corriente de un rayo son
extremadamente grandes, la energía efectiva es relativamente pequeña, del
orden de 4 KwH, puesto que su duración es solo de unos cuantos
microsegundos.

17
El rayo es un suceso aleatorio, puede ocurrir durante una tormenta o bien, no
ocurre cuando la carga eléctrica acumulada en la nube no es suficiente, así
podemos ver tormentas con descargas atmosféricas o bien sin rayos.
Esto sucede sin que se tenga una frecuencia determinada hay descargas con
distinta configuración e inclusive invertido el orden de signos.
Un análisis comparativo de diferentes tipos de pararrayos, nos lleva a ver su
funcionamiento antes, durante y después de una descarga atmosférica, que es
contra lo que nos vamos a proteger, la descarga se repite por lo menos dos
veces (50% restante) en el mismo lugar, siguiendo el camino de gases
fuertemente ionizados que dejó la primera, al provocar fallas o reducción de
eficiencia, descarga lo que puede en algunos pararrayos.
No todos los lugares tienen la misma probabilidad de que ocurra una descarga,
se puede ver esta probabilidad en los mapas de nivel isoceráunico, es decir,
mapas que nos muestran regiones con igual probabilidad de descarga
atmosférica, por lo que los sistemas de pararrayos también, deben de ser
diferentes en su diseño o componente de tierra, igualmente la altura de la
edificación por proteger influye, aún cuando están en una región con igual nivel
isoceraúnico, el de mayor altura tiene mayor probabilidad de rayo.
La cantidad de corriente que tiene un rayo, es del orden de los kilo amperes,
con un rango que abarca desde las decenas hasta las centenas, que se han
podido medir, en las líneas y subestaciones eléctricas.
La diferencia de potencial, tiene variación de valores desde 100 hasta
1, 000,000 de kilo Volts, aunque para la instalación de pararrayos, es más
importante la tensión que pueda surgir entre el sistema a tierra y el conjunto
receptor o pararrayos que se encuentre a mayor altura en la instalación
protegida, porque de ello depende la disipación de la carga en el terreno, según
el sistema de pararrayos para evitar la incidencia del rayo.

18
Otro dato interesante sobre los rayos es su longitud; Estudios realizados en
Estados Unidos hablan de rayos desde 304.8 metros (1,000 pies), hasta
aproximadamente 160 kilómetros (100 millas).
Pero la carga total liberada por un rayo, es relativamente pequeña por el tiempo
tan corto de vida que es del orden de los microsegundos, así los valores de
carga de una sola descarga es de 7 coulombios y aún con las descargas
sucesivas, ésta no supera los 200 coulombios.
El fenómeno nos parece aislado, pero ocurre en promedio 100 veces por
segundo, sobre la tierra y la magnitud del mismo hace que cuando toca una
persona o instalación no protegida, causa daños, pero las pérdidas que
ocasiona, sobre todo en interrupciones de energía eléctrica, hacen que tenga el
nombre de dañino, aunque proporcione más beneficios, al ser el principal
abastecedor natural de nitrógeno para la tierra y de ozono para la atmósfera,
sin embargo, los daños existen y tiene probabilidad de causar muchos más y
aunque en México no se lleva una estadística.
Los cambios de dirección en un conductor de pararrayos no pueden ser
bruscos, por lo que se deben seguir ciertas normas dado que la tensión al
circular por un conductor, genera un frente de onda.
1.3 CAMPOS ELÉCTRICOS.
1.3.1 Campos Eléctricos de la Atmósfera.
Rodeando la tierra existe en la atmósfera en condiciones normales de buen
tiempo. Un campo eléctrico permanente con superficies equipotenciales
concéntricas, cuyo centro coincide con el de la tierra, siendo por lo tanto
vertical el vector de intensidad de campo (E) en cada punto.

19
El sentido de este valor es tal que se dirige hacia el centro de la tierra, lo que
indica que esta última posee una carga negativa, mientras que las distintas
capas de la atmósfera son más positivas cuanto más alejadas están de la
superficie terrestre y de tal forma que el gradiente eléctrico decrece con la
altura.
Como consecuencia de la existencia de ese campo eléctrico permanente, los
iones negativos existentes se dirigen hacia arriba, mientras que los positivos
caen hacia la tierra, la resultante de estos dos desplazamientos iónicos es
llamada "corriente de conducción", dirigida hacia abajo (según el sentido
convencional de la corriente) cuyo valor medio es de 2 x l0-16
Amperes por
centímetro cuadrado (A/cm2)
lo que representa una corriente total entre
atmósfera y tierra de unos mil Amperes.
Corriente de conducción puede considerarse también permanente como el
campo que la produce, variando muy poco tanto con la situación geográfica,
como con la estación, día y hora.
Independientemente de la corriente de conducción, existen "corrientes de
precipitación", llamadas así por originarlas el transporte de cargas eléctricas,
producida por las precipitaciones atmosféricas, dichas corrientes de
precipitación son en general del mismo sentido que la de conducción,
aportando también cargas positivas a la tierra, su intensidad puede llegar a ser
de 2 x l0-11
A/cm2
. , o sea superior a la de conducción que es.
Al contrario que esta última variable con las condiciones de tiempo y lugar, su
valor medio resulta inferior, habiéndose estimado en unos 400 amperes.
Considerando la acción continua de estas dos corrientes, resulta a primera
vista sorprendente que la carga negativa que posee la tierra permanezca
constante y aproximadamente igual a 500,000 Coulombios.

20
Sin embargo, este es un hecho incuestionable, demostrado por la experiencia
que obliga a admitir la existencia de otros fenómenos compensatorios sobre los
que se han establecido multitud de hipótesis, de las cuales destacan las
siguientes:
Por efecto de altas temperaturas existentes en el núcleo de la tierra. Escapa
aire ionizado positivamente por los intersticios capilares de la corteza terrestre,
que es elevado por corrientes convectivas a considerables alturas (efecto
Ebert).
1. La radiación tanto procedente de la tierra, como del sol y las estrellas, da
lugar a una ionización de las moléculas de aire. Los electrones
producidos se escapan de la atmósfera gracias a su gran movilidad
originándose por tanto una acumulación de cargas positivas en ellas.
2. Cuando las condiciones normales de buen tiempo se alteran por
distintos fenómenos atmosféricos, tales como la lluvia, nieve, granizo
nubes tormentosas, etc., se producen casi siempre inversiones del
campo eléctrico, aportando gran cantidad de carga negativa a la tierra
como consecuencia de los procesos siguientes:
Descargas continuas de electricidad positiva por las puntas de conductores
conectados a tierra, descargas intermitentes y de gran magnitud de electricidad
positiva, como consecuencia de caídas de rayos.
1.3.2 Campos Eléctricos en el núcleo de las nubes.
Entre los diferentes tipos de nubes, son los Cumulus-Nimbus, los que pueden
llegar a convertirse en nubes tormentosas que se caracterizan por desarrollarse
a base de aire húmedo y caliente que se eleva a velocidades considerables, del
orden de los 30 a 35 metros por segundo.

21
Las gotas de agua arrastradas por estas corrientes convectivas llegan a
convertirse en cristales de hielo al alcanzar la altura suficiente, disminuyendo
paulatinamente su velocidad de ascensión, hasta que se inicia su caída, es
durante este descenso de los cristales de hielo, cuando se verifica por
frotamiento una separación de gran magnitud de los iones de distinto signo,
estableciéndose en el interior de la nube el campo eléctrico consiguiente, con la
distribución de carga representada (VER EN ANEXOS FIGURA 4).
A pesar de que la distribución anterior es estadísticamente la más frecuente,
existen casos, que se pueden estimar en un 10%, en que la polarización resulta
invertida. Concentrándose las cargas negativas en la parte superior de la nube,
mientras que las cargas positivas se distribuyen en su parte inferior.
1.4 FORMACION Y PRODUCCION DE LAS DESCARGAS.
Los campos eléctricos en el interior de las nubes tormentosas, hacen que la
parte inferior de éstas y el terreno sobre el que se encuentran, actúen como las
armaduras de un gran condensador, cuyo dieléctrico está constituido por el aire
existente entre ambas, lo más probable es que la base de la nube sea
negativa, con lo que se inducirán cargas electrostáticas positivas en el terreno,
aunque no se debe de olvidar que en el 10% de los casos ocurrirá todo lo
contrario.
Descartando por el momento estos casos menos probables. (VER EN
ANEXOS FIGURA 5,6) se representa el proceso más frecuente de formación y
caída del rayo, que es análogo a la descarga de un capacitor por perforación
disruptiva del dieléctrico.
De la zona de la base de la nube, en que la concentración de cargas negativas
es máxima. Parten estas hacia abajo siguiendo una serie de caminos
ramificados, llamados descargas piloto.

22
Propagándose intermitentemente con detecciones de 10 a 12 microsegundos
entre cada dos impulsos, avanzando en cada uno de los saltos algunas
decenas de metros a velocidades del orden de los 10,000 Km. /s.
Teniendo en cuenta los tiempos de detención antes mencionados la velocidad
resultante de propagación puede estimarse en un valor de 100 a 300 km. /s.
La descarga piloto sigue su avance creciendo al mismo tiempo la intensidad
del campo electrostático inducido en el terreno, hasta que partiendo de éste se
eleva una descarga positiva llamada descarga de retorno, que va al encuentro
de la descarga piloto.
Este encuentro normalmente se origina entre los 5 y 120 metros de altura,
medidos desde el punto de salida y varía según haya o no pararrayos. Hasta
este momento el fenómeno ha sido silencioso y débilmente aluminoso, pero al
establecerse el contacto entre las descargas piloto y la descarga.
Llamada descarga principal que se manifiesta por la aparición de una
intensidad luminosa acompañada de un fuerte trueno.
Esta descarga principal está formada por una gran corriente de carga positiva,
que partiendo del terreno circular hacia arriba y siguiendo el camino recorrido
por la descarga de retorno y la descarga piloto, llega a alcanzar intensidades
del orden de los 200.000. Amperes.
Los puntos de emergencia, tales como los pararrayos, donde se manifiesta un
campo eléctrico, más intenso durante la sucesión de las últimas descargas
piloto serán los puntos donde se partirán más probablemente las descargas de
retorno y por lo tanto de los que surgirán también con más frecuencia las
descargas principales.

23
La primera descarga principal tiene el efecto de crear un canal fuertemente
ionizado entre la nube y la tierra. Al no quedar la nube completamente
neutralizada después de la descarga principal, aparecerán otras secundarias
que seguirán el mismo canal ionizado establecido por la descarga principal,
produciéndose alternativamente de nube a tierra y de tierra a nube, las
descargas sucesivas como se ve en (VER EN ANEXOS FIGURA 7) se
verifican a intervalos en algunas centésimas de segundo, tiempo necesario
para permitir el movimiento de las cargas eléctricas en el interior de la nube.
El rayo que comprende un cierto número de descargas, se llama múltiple. El
número promedio de descargas de un rayo es de 4 a 6, pero se han observado
algunos hasta de 42 descargas distintas, de una duración de 0.6 segundos
aproximadamente.
El proceso descrito es solamente el más probable, pero no el único posible, en
caso que la parte inferior de la nube posea una acumulación de cargas
positivas. Se inducirán en el terreno cargas electrostáticas negativas y el efecto
seria una inversión de polarización en el capacitor nube-tierra que se ha
considerado, como se ve en (VER EN ANEXOS FIGURA 8)
1.5 ESTRUCTURA ELÉCTRICA DE UNA TORMENTA.
El campo electrostático de una atmósfera, en buen tiempo y ausencia de
nubes, es prácticamente uniforme y estable, dirigido hacia abajo, porque la
superficie de la tierra ana carga negativa y la atmósfera tiene carga eléctrica
neta de signo positivo.
El medio de ese campo es de unos 120 volts por metro sobre el continente y
unos 130 por metro sobre el océano, donde la contaminación ambiental es
grande, éstos pueden aumentar mucho. Se han observado en México, D.F.,
valores de 220 por metro a nivel del suelo y en el observatorio de Kkiev en la
Unión de Estados Independientes, se han registrado valores de unos 350 volts
por metro.

24
El gradiente de potencial eléctrico disminuye mucho con la altura y a l0km es
apenas de un 3 % de su valor en la superficie, según las mediciones hechas
por los norteamericanos, a los 20 km los valores de ese gradiente son
sumamente pequeños, lo que demuestra que el aire a esas alturas es
sumamente conductor.
Esta conductividad se explica porque las tormentas en la troposfera pueden
afectar la transmisión de las ondas cortas que se reflejan en la ionosfera,
ocasionando desvanecimientos (fading) que se puede utilizar para localizar, los
ciclones del Caribe o los frentes fríos de los nortes.
1.6 DIFERENCIA DE POTENCIAL EN LAS DESCARGAS ATMOSFÉRICAS.
La diferencia de potencial que provoca la descarga atmosférica tiene valores
extremadamente variables y depende de numerosos factores, tales como la
altitud de la sube con relación a la tierra, las características del pararrayos, las
del edificio, la configuración de las instalaciones y otros más.
Para efectos prácticos en el funcionamiento del pararrayos y del sistema de
tierra, reviste un mayor interés, la diferencia de potencial que aparece entre el
sistema de tierra y la parte más alta del edificio o sea, donde debe estar
colocado al menos un conjunto receptor, valores que dependen de la
impedancia del conductor, o mejor dicho, tratándose de impulsos de gran
pendiente.
Para facilitar el cálculo, si consideramos que la tensión antes de la descarga es
de 10 kilovolts por metro de altura, el potencial transportado será de 200
kilovolts aproximadamente.

25
Estudios realizados por el Laboratorio Atmosférico Oceánico Nacional de los
Estados Unidos, situado en Colorado, después de estudiar 300 tormentas
locales, establecieron que a 4800 metros sobre el nivel del mar las descargas
atmosféricas alcanzan valores de 2400 kilovolts por metro.
Cleirici nos muestra en (VER EN ANEXOS FIGURA 9), que el 85% de los
rayos alcanzan los 30 kilovolts por metro.
1.7 LONGITUD DE LAS DESCARGAS ATMOSFÉRICAS
Estudios realizados por la Universidad Estatal de Nueva York, en Albany ,
dicen que los rayos varían en su longitud entre los 304.8 metros (1000 pies)
hasta los 160 kilómetros (100 risillas), siendo el más común el de 1609 metros
(1 milla).
Cleirici nos muestra en (VER EN ANEXOS FIGURA 10) que los rayos varían
entre los 500 y los 7000 metros Si situamos a la ciudad de México a una altura
de 2450 metros sobre el nivel del mar, entonces tendremos un gran número de
rayos cercanos a los 240 kilovolts por metro, es decir, rayos de 2350 metros (o
sea 7700 pies).
1.8 OTRAS MAGNITUDES ENERGÉTICAS.
La carga total liberada por un rayo dado el tiempo tan corto de vida que tiene,
unifica los criterios tanto de Mc Cann, Lewis y Cleirici que nos dicen que, ésta
no supera los 200 coulombios en la totalidad de la descarga y en una sola
descarga los valores que se alcanzan son del orden de los 7 coulombios que
se muestra en (VER EN ANEXOS FIGURA 11).
Se han efectuado experimentos para almacenar la carga de los rayos pero
económicamente no se ha llegado a resultados satisfactorios por lo aleatorio de
que se repita la descarga en el lugar de almacenamiento.

26
1.9 DAÑOS QUE PUEDE CAUSAR.
El rayo es un fenómeno que nos parece aislado, el cual lo vemos únicamente
en la época de lluvias y solo esporádicamente en la época de estiaje, pero es
un evento que se repite en un promedio de 100 veces por segundo sobre la
tierra, así la posibilidad de que cause daños es de valor apreciable.
En Estados Unidos el nivel isoceraúnico es menor, Cleirici nos dice que
estadísticas efectuadas, muestran que más de 400 personas mueren cada año
a causa de los rayos y más de 1000 resultan heridas por la misma causa, datos
del Depto. de Agricultura del mismo país nos dicen que los incendios forestales
en el período de 1930 a 1947 causaron un total de pérdidas por 2,920,000
dólares, en un total de 1200 incendios , y estos datos no incluyen el costo de
104 viviendas de propiedad privada, que fueron dañadas por estos incendios.
En. estudios realizados en Gran Bretaña en líneas de transmisión y distribución
nos muestran los incidentes por rayo provocados en 160 km. (1000 millas) para
líneas con tensiones de operación desde los once kilo-volts a 132 kilo-volts,
como se muestra en (VER EN ANEXOS FIGURA 12),
donde las líneas que tienen un tele pararrayos como son las de 132 kilo-volts
casi no tienen incidentes por rayos, esto se hace más patente en l (VER EN
ANEXOS FIGURA 13) donde las incidencias para líneas de 66 kilo-volts al
tener mejor sistema de tierra en sus torres, tienen menor incidencia de rayos.
(VER EN ANEXOS FIGURA 14), nos muestra incidencias para una misma
tensión de 11 kilo-volts, donde se hace patente la importancia del nivel
isoceraúnico y como varia ésta en un país de poca extensión territorial.

27
1.10 GENERALIDADES SOBRE EFECTOS DE LOS RAYOS.
El rayo que impacta en una instalación u objeto, produce efectos de naturaleza
variada caprichosa, los cuerpos no conductores, se rompen a menudo, como
por ejemplo los árboles, mientras que los conductores se funden
completamente, por ejemplo, un conductor de calibre 14, aislado con una
cubierta de goma puede fundirse por una descarga de poca duración pero de
gran intensidad, esto se puede comprobar por la cantidad de incendios de
factorías en horas no laborables, después de una tormenta eléctrica y las
causas son:
Corto circuito como si no existiera una coordinación de protección. Una
descarga con una sucesión de un máximo de comente superpuesta a un
componente continuo, puede provocar un incendio 16, estos casos también se
han repetido en laboratorios con modelos a escala por Belfashi aunque con las
limitaciones de corriente que tiene la reproducción de un rayo artificial.
1.11 CONSECUENCIAS TERMICAS DEL RAYO.
La energía térmica que se desarrolla en la descarga del rayo depende, de
acuerdo con la Ley de Joule, del cuadrado de la corriente y de la resistencia del
medio encontrado por aquella, además, naturalmente, el tiempo que dura la
descarga por lo que la expresión de la cantidad de calor producida adopta la
forma:
dtIRW 2
Formula (1.1)
Donde:
W =Energía transformada en calor (expresada en Joules, si la corriente se
mide en amperes y el tiempo en segundos; la energía puede expresarse
también en calorías; 1 caloría = 4.186 Joules .)
l =valor instantáneo de la corriente circulante en amperes.
R=resistencia del medio por el que circula la energía en ohms.

28
Carece, por tanto de importancia fundamental la resistencia del medio que
encuentra el rayo en su camino para descargarse a tierra dado, que fijado el
valor de la corriente, dependiente de la diferencia de potencial entre nube y
tierra, la energía térmica desarrollada será más grande, cuando mayor sea la
resistencia del medio por donde circula.
En esa forma la descarga de un rayo a través de un material de un conductor
de energía eléctrica y de sección suficiente, no desarrolla generalmente
cantidades apreciables de calor.
En caso de materiales que son malos conductores, tienen gran interés en el
examen de aquellos en que la descarga atraviesa materiales con elevado
contenido de agua, porque el calor generado provoca la evaporación
instantánea del agua contenida, la cual se evapora o se disocia de sus
elementos, provocando un fenómeno de explosión, como se ha observado en
árboles, postes de madera y muros húmedos que son impactados por un rayo.
También es necesario hacer notar que los rayos de gran intensidad pero poca
duración, provocan una destrucción de materiales pero no llega a producir
ignición, (lo que resalta la importancia de los pararrayos activos), mientras que
los de corriente modesta pero de gran duración provocan fácilmente la ignición
de los materiales.
En general, la peligrosidad del rayo que cae sobre materiales inflamables es
alta, porque como ya se vio, a la descarga principal suceden descargas
sucesivas.
Los aviones estacionados, se deben conectar firmemente a tierra para evitar
esta posibilidad, igualmente cuando se abastecen de combustible para evitar
que la descarga de electrostática pueda iniciar la ignición. La misma regla se
debe seguir en transportes depósitos de combustibles.

29
1.12 CONSECUENCIAS DINÁMICAS DEL RAYO.
La energía liberada por un rayo no es muy elevada, sin embargo, al ser
liberada en un tiempo muy corto (100 a 120 microsegundos), la potencia
puesta en juego alcanza valores de millares de kilowatts, por lo que las
consecuencias pueden ser importantes.
La descarga de retomo, de un rayo produce en torno a la columna de gases
fuertemente ionizados que constituyen el recorrido de la descarga, una onda de
presión de dimensiones limitadas en las que se generan presiones elevadas
que pueden destruir todo cuanto rodea al conductor principal; en el interior de
chimeneas y habitaciones, se pueden producir presiones tan elevadas que
produzcan una explosión.
El campo magnético que se forma, puede deformar estructuras y ventanas
metálicas, o el conductor de cable sufre una expansión por el campo que se
forma entre hilo e hilo del cable, por lo que se debe evitar la sujeción por
presión únicamente.
1.13 EFECTOS QUÍMICOS.
Las descargas atmosféricas son el principal abastecedor de nitrógeno para la
tierra y el rayo lo inyecta directamente al terreno; se Peterson W., también se
forma ozono alrededor del canal del rayo, el cual protege a la tierra de los rayos
ultravioleta, también por la intensidad de corriente, produce efectos galvánicos
por donde circulan en forma unidireccional.

30
1.14 CONCLUSIÓNES DE LAS TEORÍAS SOBRE LA FORMACIÓN DEL
RAYO.
Como se podrá ver, las teorías sobre la formación del rayo difieren entre sí, sin
embargo, la mayoría de los meteorólogos apoyan la explicación del origen de la
carga de una nube de tormenta, mediante el mecanismo hielo-gotita de agua
que es la teoría expuesta por Sil Basil Schonland.
No obstante, algunos no están de acuerdo sosteniendo que las partículas de
hielo no son necesarias para que se produzca dicha carga en las nubes. Y aun
continúan investigando cómo se forma exactamente la electricidad de la
misma.

31
2.0 TIPOS DE PARARRAYOS EXISTENTES
2.1 GENERALIDADES SOBRE PARARRAYOS.
PARARRAYOS: Se trata de un dispositivo acabado en punta que excita la
aparición de impulsos o efluvios durante la formación de carga de una
tormenta. Una vez excitado el rayo, el pararrayos intentará captarlo y
descargarlo a tierra por un conductor eléctrico, la energía de descarga está
catalogada como alta tensión con un potencial incontrolado y destructible.
El pararrayos se situará en el punto más alto de la instalación, al menos dos
metros por encima de la zona a proteger, lo cual proporcionará un camino de
baja impedancia que facilite el paso de la corriente y que permita del modo más
sencillo la descarga a tierra del rayo.
Algunos tipos de instalaciones a proteger
Torres de control aeropuertos.
Antenas de navegación aérea.
Antenas de televisión, telefonía móvil y radio.
Subestaciones eléctricas
Centrales nucleares.
Hospitales.
Industrias petroquímicas
Gasolineras.
Barcos.
Edificios públicos.
Torres de alta tensión
Casas particulares.

32
2.1.1 Selección de pararrayos
Queda prohibido utilizar pararrayos que funcionen a base de materiales
radiactivos.
Los factores que se deben considerar para la determinación de la obligación de
instalar pararrayos y, en su caso, el tipo de pararrayos a utilizar para drenar a
tierra la descarga eléctrica atmosférica, son:
a) el nivel Isoceráunico de la región.
b) las características fisicoquímicas de las sustancias inflamables o
explosivas que se almacenen, manejen o transporten en el centro de
trabajo.
c) la altura del edificio en relación con las elevaciones adyacentes.
d) las características y resistividad del terreno.
e) las zonas del centro de trabajo donde se encuentren sustancias
químicas, inflamables o explosivas.
f) el ángulo de protección del pararrayos.
g) la altura de instalación del pararrayos y el sistema para drenar a tierra
las corrientes generadas por la descarga eléctrica atmosférica.

33
Pararrayos es el dispositivo más usado para la protección contra descargas
atmosféricas y son utilizados en los edificios, transformadores y equipo
eléctrico; colocados en la parte más alta, para poder recibir la descarga
atmosférica y drenarla a tierra; comúnmente son conocidos como puntas
pararrayos y es el elemento primario para la coordinación de aislamiento, en
base a las siguientes funciones.
a) Opera con sobre tensiones en el sistema permitiendo el paso de las
corrientes del rayo y sin sufrir daño.
b) Reduce las sobre tensiones peligrosas a valores que no dañen el
aislamiento del equipo.
Las características principales para la selección correcta de un pararrayos en
un sistema de distribución son las siguientes:
1. La tensión nominal
2. La corriente de descarga
Estas se pueden calcular por promedio de la fórmala siguiente
1.2FormulaVKV ffen
Donde:
Vn Tensión nominal de pararrayos en kv
Ke = Factor de corrección a tierra
V ff Tensión de línea a línea
El factor Ke se refiere a la forma en que se encuentra conectado a tierra, la
instalación eléctrica del sistema, considerando que una falla de línea a tierra,
es lo que produce una sobre tensión en las fases no falladas.

34
2.1.2 Radio de protección de un pararrayos
El radio de protección de un pararrayos depende de su altura respecto a la
superficie a proteger. Altura: Es la distancia entre la punta final del pararrayos y
el punto que se desea proteger. El radio de protección se calcula con la
siguiente formula y se ejemplifica en (VER EN ANEXOS FIGURA 15)
La formación de un rayo va precedida de una elevación del campo eléctrico
ambiental por encima de los 10kv/m. Esta energía natural es acumulada por el
dispositivo del pararrayos que de esta forma queda en situación de precontrol.
A medida que se acerca la descarga, se produce un intenso y brusco
incremento del campo eléctrico, originándose una zona de riesgo de impacto.
Si esta zona de riesgo tiene lugar en la zona de protección del pararrayos, la
brusca variación del campo eléctrico acciona simultáneamente el sistema de
protección, en sincronía con la aproximación del rayo, proporciona una vía de
descarga a tierra controlada y segura.
2.2.3 Clasificaciones de los pararrayos
ACTIVOS: generan la ionización y excitación por impulsos de alta tensión
superiores a 10 KV en la punta, este fenómeno se representa a partir de un
valor del campo eléctrico- atmosférico natural.
El objetivo de este proceso es intentar excitar y captar la descarga del rayo,
conducir todo su potencial de alta tensión a tierra por un conductor activo
instalado, con el resultado de la sobre tensión e inducción generada.
El resultado es una corriente de defecto alta tensión que circula por un
conductor desnudo, superando la energía de descarga del rayo.
Tratan de facilitar el camino del rayo positivo, dirigiéndolo o provocando un
camino de baja resistencia, actúa con el gradiente electrostático de la
atmósfera, descargando el lugar donde se encuentran instalados, evitando que
ocurra el rayo en ese sitio, convirtiéndose en preventivos, además el encuentro

35
entre el rayo positivo y negativo se realiza más alto, alejando con ello el punto
de mayor temperatura de la descarga atmosférica.
Este fenómeno puede crear en momentos críticos durante la descarga,
corrientes de contacto con intensidades de defecto superiores a las permitidas
consideradas como muy graves que pueden afectar a la seguridad de las
personas
PASIVOS: Concentran la ionización y excitación constante del rayo en la
punta, estos descargan en el terreno donde están instalados únicamente por
efecto de puntas por lo que materialmente "esperan" el rayo para disiparlo a
tierra, por lo que tienen mayor probabilidad de impacto por rayo.
2.1.4 Elementos que constituyen un pararrayos
Cualquiera que sea el tipo de pararrayos adoptado para la protección de un
edificio o instalación, estará formado por los siguientes elementos básicos:
Elemento receptor: colocado en la parte más alta del edificio. Puede estar
constituido por puntas metálicas o conductores dispuestos de varios modos
según las dimensiones y la estructura de la instalación para proteger. Un
elemento receptor de la descarga que los constituyen las puntas de protección
y los cables colocados estratégicamente en las partes de la estructura que
pueden recibir una descarga (VER EN ANEXOS FIGURA 16 “A”)
Conductor a tierra,: puede estar formado por dos o varios conductores y tiene
la misión de transportar a tierra la corriente del rayo, según el camino
perfectamente determinado y de baja impedancia, pasando por la parte exterior
del edificio, que queda así, fuera de peligro. La realización práctica de estas. La
realización práctica de estos elementos debe de efectuarse teniendo en cuenta
que por ser la corriente del rayo a impulsos, adquiere una importancia notable
la reactancia del circuito. Cuya influencia puede originar grandes caídas de
tensión en el circuito (VER EN ANEXOS FIGURA 16 “B”)

36
Electrodos a tierra: Electrodos a tierra llamados también dispersores de tierra
los que proveen de un contacto íntimo del sistema con el terreno, facilitando la
dispersión de la corriente, en el terreno propiamente dicho (VER EN ANEXOS
FIGURA 16 “C”) Existen en la actualidad para el cálculo y diseño de estos
electrodos a tierra, así como procedimientos de medición de la resistencia,
lograda. Se ha desarrollado también algunos productos que pueden usarse
como aditivos en los electrodos y de esta manera lograr abatir la resistencia a
tierra.
2.2 ESTRUCTURA DE UNA INSTALACION DE PARARRAYOS
Para el desarrollo de la correcta instalación de un sistema de pararrayos se
deben-considerar los siguientes aspectos básicos:
Debe respetar absolutamente las normas existentes.
Realizar la correcta ubicación y distribución de todos los elementos.
Utilizar estrictamente los materiales especificados.
Es de especial interés al análisis de las siguientes observaciones generales
relativas a los eventos principales a desarrollarse en una instalación de este
tipo, que son: (VER EN ANEXOS FIGURA 17)
1. Localización de la posición de las puntas
2. Fijación de las bases para la localización de las puntas.
3. Determinación del recorrido de conductores.
4. Fijación de conductores.
5. Conexiones.
6. Determinación de la posición de los electrodos a tierra.
7. Instalación de los electrodos.
8. Pruebas.

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1.-Localización de la posición de las puntas.
La parte más alta de las puntas debe quedar por lo menos 25 cm. más alta que
el contorno protegido. La separación máxima de la orilla del contorno protegido
es de 60 cm. El espaciamiento máximo entre puntas debe ser de 7.20 m. +-
10%.
2.-Fijación de las bases para la colocación de las puntas.
Se debe usar algún elemento rígido adecuado al ambiente en el que se instale,
por ejemplo, si el ambiente es corrosivo, se puede usar un taquete de plástico
con tornillo de latón, considerando que además de corrosivo es húmedo.
3.-Determinación de recorrido de conductores.
Horizontales:
De cada punta deberán existir 2 trayectorias a tierra, sin curvas
ascendentes.
Los cambios de dirección no deben tener un radio menor de 20 cm.
Verticales:
Deben ser lo más directo posible.
No deben tener curvas inversas.
Procurar de ser posible, alejarlos de ventanas metálicas.
Procurar que el espaciamiento entre bajadas sea uniforme.
En la parte inferior del cable vertical aparente (3.00 m. Sobre el nivel del
terreno), deberá instalarse una guarda de protección, con la finalidad de
proteger al conductor de daño mecánico, se sugieren tuberías no
metálicas.

38
4.-Fijación de conductores.
Antes de sujetarse el cable, deberá ser tomado para garantizar
trayectorias lo más rectas posible.
El espaciamiento máximo entre puntos de sujeción (abrazaderas), será
de 90 cm.
Para fijar las abrazaderas se usaran elementos apropiados al medio
ambiente en él que se instale.
5.-Conexiones
Las conexiones deberán ser las mínimas necesarias y de la máxima
rigidez mecánica.
Siempre se deberán usar conectores mecánicos especiales para este
uso.
Las conexiones soldadas deberán evitarse.
6.-Determinación de la posición de los electrodos de tierra.
Deben localizarse cercanos a los conductores de bajada a tierra.
Preferentemente fuera de cimentaciones.
Separados por lo menos 60 cm. de la construcción.
De preferencia se deben colocar donde el terreno sea lo más húmedo
posible
este en el máximo contacto con humedad.
7.-Instalación de los electrodos
Varillas o bayonetas:

39
Deben clavarse totalmente (3.05 m.) y asegurarse que el terreno es
bueno, o sea, que a través de ta superficie de la varilla se establezca un
buen contacto con el terreno, por lo tanto, deberá evitarse el hacer una
excavación para colocar en ella la varilla.
La conexión entre el cable y la varilla se hará con un conector especial
para este fin, que garantice la superficie de contacto adecuada.
Preferentemente, pero no indispensable, se construirá un registro para
tener acceso al conector mencionado anteriormente y 'colocado en el
extremo superior de la varilla.
Rehiletes:
Se usaran en terrenos donde no sea posible clavar la varilla, en excavaciones
Especiales para ellos, de la máxima profundidad posible.
El rehilete se colocará en el fondo de la excavación en una mezcla de cisco de
carbón (carbón menudo) y sal en proporción de 5 a 1.
Es muy importante que la excavación sea tapada con tierra de las mejores
condiciones de conductividad, al máximo grado de compactación que sea
posible.
Desconectadores de tierras:
Cada electrodo de tierra deberá proveerse de un medio que permita su
desconexión del sistema para poder llevar a cabo lecturas del valor de su
resistencia a tierra.
Normalmente es recomendable la instalación de un desconectador en el
extremo inferior de cada conductor de bajada, pero debe de tenerse en cuenta
que es importante que entre el mismo y el electrodo no debe haber ninguna
otra conexión.

40
8.-Pruebas
Para considerar satisfactoria una instalación, deberá tener:
Continuidad total en sus circuitos, que puede comprobarse haciendo
pasar una corriente a través de ellos.
Una resistencia a tierra adecuada en sus electrodos (máximo 25 ohms).
Rigidez mecánica en sus elementos de soporte.
2.2.1Los materiales necesarios para la instalación de un sistema son los
siguientes:
A) Puntas
Las puntas pueden ser de cobre cromado, con una altura mínima de 25 cm
quedando más altas del contorno que protegen, tendrán sus bases adecuadas
a la superficie donde se coloquen e irán fuertemente fijadas a la misma (VER
EN ANEXOS FIGURA 18)
B) Conductores
Estos pueden ser de dos tipos, pudiendo ser:
Cable de cobre desnudo de 11.9 mm. de diámetro. para edificios con
altura menor o igual a 23 m, (VER EN ANEXOS FIGURA 19).
Cable de cobre desnudo de 13mm de diámetro, para edificios con altura
mayor de 23m. (VER EN ANEXOS FIGURA 20).
En cualquiera de los casos, se colocará el conductor de manera a proveer un
doble paso a tierra desde cada punta.

41
C) Conductores de baja
Cualquier tipo de estructura, salvo asta-banderas, mástiles o estructuras
similares, debe tener por lo menos dos conductores de bajada. Su colocación
estará tan separada como sea posible, preferentemente en diagonal, en
esquinas opuestas en estructuras cuadradas o rectangulares y diametralmente
opuestas en estructuras cilíndricas.
Cuando una estructura tenga un perímetro que exceda de 75 m., debe tener
una bajada adicional por cada 30 metros de perímetro. Para el cálculo del
perímetro se deben considerar las dimensiones exteriores al nivel del terreno,
excluyendo cobertizos, marquesinas y salientes que no requieran de
protección. El número total de conductores de bajada en estructuras con
azoteas planas o ligeramente inclinadas y en las de forma irregular se
calcularán de tal manera que la distancia promedio entre ellos no sea mayor de
30 m.
D) Fijaciones.
Los elementos que se utilizan para fijar los cables son las abrazaderas y serán
del mismo metal que estos, deberán quedar lo suficientemente fuertes para
sujetar a los conductores. Se instalaran a una distancia de 90 cm. unas de
otras (VER EN ANEXOS FIGURA 18, 19,20).
2.2.2 Conexión a Tierra. Interconexión de Metales, Tuberías y Equipos
Todos los objetos metálicos de ciertas dimensiones, no conectados a tierra,
que se encuentran dentro de 1.80 m. Del sistema, o de metales conectados a)
mismo, deberán ir ligados a estas instalaciones por medio de abrazaderas y
conectores especiales (VER EN ANEXOS FIGURA 21).

42
Las conexiones a tierra se harán por medio de bayonetas y/o rehiletes, para
conseguir, en condiciones normales, un valor de la resistencia a tierra dentro
de las normas referidas.
En caso de que las condiciones del terreno originen valores superiores a los
recomendados (máximo 25 ), serán necesarios trabajos adicionales para
mejorar las condiciones del terreno.
Es importante, también, considerar lo siguiente:
A) Ubicación
Las conexiones a tierra se harán en aquellos lugares donde se logre una fácil
dispersión de la descarga en el terreno, preferentemente fuera de la
cimentación y en un área de jardines.
B) Medio de conexión
Varilla cobre-acero de 3.05 m. de longitud y 13 mm. de diámetro (véase
la figura 23).
Rehilete instalado de 1.5 a 2 m. de profundidad.
Cable de cobre de 3.6 m. de longitud, enterrado entre 30 y 60 cm. de
profundidad.
Varilla de cobre-acero, en registro de mampostería (en el caso de suelos
rocosos) con dimensiones de 80*80*80 cm., conteniendo capas
alternadas de 10 cm. de carbón de piedra en polvo, cloruro de sodio en
grano, cloruro de calcio y sulfato de cobre o sulfato de magnesio.

43
C) Tierras comunes
Se deberán realizar las interconexiones necesarias entre las tierras del sistema
de pararrayos y las de otros servicios como eléctrico, antenas de radio y
televisión, etc.
D) Instalación
La instalación se hará de manera poco visible. El conductor se colocara a
menos de 60 cm. de !a orilla exterior de los techos planos o azoteas, sobre o
atrás de los pretiles, a lado de las cumbreras, sobre las cornisas, atrás de las
bajadas de agua y en general, procurando esconder el equipo lo más posible.
Todos los materiales se fijaran fuertemente a la construcción para evitar
cualquier posibilidad de desplazamiento y para facilitar el mantenimiento
subsiguiente.
2.3 PARARRAYOS DE FRANKLIN.
Benjamin Franklin fue el pionero del desarrollo de la protección contra las
descargas atmosféricas y también fue el primero que demostró en una forma
fehaciente la naturaleza eléctrica de los rayos, en base a sus investigaciones,
fue también el primero que buscó la forma de protegerse efectivamente contra
dichos fenómenos, inventando el primer pararrayo, estableciendo las bases
técnicas para su desarrollo, instalando el primero de estos sistemas de
protección en un edificio de Philadelphia en los Estados Unidos de América en
el año de 1752.
El pararrayo de Franklin, consta de una barra metálica cilíndrica, de tres metros
de longitud y con un diámetro de 13 mm.

44
El receptor colocado verticalmente, termina en una punta muy aguda,
conectada a tierra mediante un conductor de hierro. Este pararrayo se clasifica
dentro de los pasivos, su eficiencia disminuye con la altura. En principio se
puede decir que su ángulo de protección es de 45 grados (VER EN ANEXOS
FIGURA 24) sin embargo, para compensar la disminución de la eficiencia, en
algunas instalaciones en que se utiliza este tipo de pararrayos, se coloca una
punta principal en la parte más alta de la construcción a proteger y algunas
secundarias que aumentan la eficiencia de la protección.
En el año de 1890, los franceses instalaron pararrayos en México, con una
serie de 4 o 5 puntas, donde la única punta que actúa es la superior, las
laterales se colocaron, por la serie de fallas que presenta este tipo de
pararrayos, al no tener en cuenta el efecto superficial de la comente alterna.
Este tipo de pararrayos se muestra esquemáticamente en (VER EN ANEXOS
FIGURA 25), aunque tiene muchas variantes de configuración, todas
terminadas en punta aguda, colocada en ¡aparte más alta de la instalación a
proteger, la podemos ver en casi todos los edificios públicos de hace algunos
años. En algunas regiones del país es muy común todavía su venta, a pesar de
sus deficiencias.
En la subestaciones de la C. F. E, al igual que en muchas subestaciones
industriales se utilizan las barras soldadas a la estructura, donde la punta
puede ser roma o puntiaguda, como otra variante de este tipo de pararrayos
2 .4 PARARRAYOS DE MELSENS.
En el año de 1875, Melsens utilizó en Bruselas un tipo de pararrayos formado
por una jaula de conductores (jaula de Faraday), en la parte superior, de la cual
dispuso numerosas puntas reunidas en un haz sobre una barra.

45
Este sistema se ha perfeccionado después con la intención de reducir la
extensión y número de las mallas de la jaula, mientras que se pensaba lograr
que las puntas múltiples aumentaran la dispersión de las cargas eléctricas en la
atmósfera. Tales previsiones resultaron fallidas, según afirma Cleirici, y la
eficacia protectora ha de buscarse más bien en la jaula que en la existencia de
las puntas.
Este es el sistema más común en México, y está basado en las normas de la
NFPA y UL de U.S.A., por la gran cantidad de puntas que es necesario utilizar
(una cada 3 o 6 metros según la norma 2371), hacen que la inversión inicial
sea elevada, como se ve en el análisis de costos, además de que en México,
se utilizan dos o más metales en su construcción, lo que provoca un rápido
envejecimiento del sistema, aumentando su mantenimiento y por tanto el costo.
Otro inconveniente de este sistema es que según las normas, se deben colocar
en todos los pretiles, por lo que se desprecia el ángulo de protección que
pudiera generar el conductor, o bien las puntas, lo que hace que el uso de
material se eleve y por tanto el gasto inicial.
Las normas NFPA y UL de U.S.A., están basadas en datos experimentales de
Estados Unidos, además están adoptadas al tipo de construcción de ese país,
pero no se toma el nivel isoceraúnico de México, además aquí es otro tipo de
construcción, por lo que no son aplicables en toda su extensión. (VER EN
ANEXOS FIGURA 26) se muestra un edificio protegido con este sistema y en
(VER EN ANEXOS FIGURA 27) se muestran varias formas de puntas para
este tipo de pararrayos.
El tipo de sujeción utilizado es por medio de grado de presión, esto lo
consideramos inconveniente porque el conductor de cable, por efecto
magnético o térmico al conducir la energía de un rayo sufre expansión
provocando con ello que el contacto entre grapa y conductor ya no sea tan
firme, aumentando la impedancia del sistema sobre todo en la reflexión de la
onda y en las descargas sucesivas.

46
Este pararrayos, también del tipo de los pararrayos pasivos, es en sí una
variante de la Jaula de Fadaray, a la cual Melsens le agregó en la parte
superior numerosas puntas distribuidas.
Posteriormente se trató de mejorar el sistema de Melsens, tratando de reducir
la extensión y número de mallas de la jaula, intentando dispersar con las
puntas múltiples la carga eléctrica de la atmósfera, pero no se lograrán
resultados satisfactorios de acuerdo con Cleirici, quien afirma que la efectividad
de la protección se logra más bien con la jaula que con las puntas. Figura 26.
2.5 PARARRAYOS PASIVOS.
Algunos de estos métodos sólo tiene hoy importancia histórica al haber sido
superados, tales como el pararrayo de Kleckner y el de Brown mostrados en
(VER EN ANEXOS FIGURA 28,29) de los años 1875 y 1883 son fotocopias de
las patentes en los Estados Unidos.
2.6 PARARRAYOS DE JAULA.
La conocida "Jaula de Faraday", experimento físico, Según el cual, en el
interior de una envoltura metálica cerrada y conectada a tierra, y disponiendo
de instrumentos de gran sensibilidad (electrómetros y electroscopios), no se
dejan influir por ningún fenómeno eléctrico por intenso que sea, cuando éste se
produzca en el exterior o en la propia superficie de la envoltura metálica, nos
da la idea de un pararrayos ideal.

47
Así, un edificio con revestimiento exterior completamente metálico y conectado
firmemente a tierra, queda protegido contra descargas atmosféricas, se obtiene
una buena protección si la cubierta metálica se substituye por una malla o red
de conductores, pero por razones económicas la red no puede ser muy
cerrada, además de que debe buscarse la estética del edificio para no dañar la
arquitectura del mismos, por lo que la red superior puede hacerse cerrada,,
reduciendo solo los conductores de bajada, (VER EN ANEXOS FIGURA 30)
se muestra un edificio con este sistema de protección. Se le puede considerar
el pararrayos pasivo, que espera el rayo para disiparlo a tierra, al no tener
efecto de puntas.
La máxima protección se logra con una cubierta laminar, sin embargo, por
razones de costo, se prefiere usar mallas las cuales se hacen muy cerradas en
la parte superior de los edificios y más abiertas en la parte inferior y aún más
abiertas en las partes laterales, las cuales van conectadas.
2.7 PARARRAYOS ACTIVOS.
Dentro de los pararrayos activos se pueden considerar 2 modelos básicamente:
el radiactivo y el de efecto corona.
Analizaremos primeramente el radiactivo por ser el más conocido sabiendo que
el de efecto corona está basado en la experiencia adquirida con el radiactivo.
2.8 PARARRAYOS RADIACTIVOS.
El húngaro Szillard fue el primero que pensó en la aplicación de materiales
radiactivos para provocar una excitación artificial de la atmósfera y una
producción de iones, con fines de protección contra los rayos. Para ello fabricó
un pararrayos formado por una barra de 4 metros de altura, encima de la cual
colocó un plato con dos miligramos de bromuro de radio.

48
Las observaciones experimentales realizadas con este tipo de pararrayos,
llevaron a la comprobación de que la cantidad de iones emitidos por este tipo
de pararrayos, era superior a la de una punta normal. Los estudios del profesor
Szillard permanecieron durante mucho tiempo privado de aplicaciones
prácticas por dos razones fundamentales:
a) A pesar de que la emisión de iones es mayor que la de una punta
normal de pararrayos sistema Franklin, la cantidad de electricidad que
este pararrayo es capaz de disipar en la atmósfera sigue siendo
insuficiente para lograr una acción preventiva eficaz.
b) La necesidad de emplear material radiactivo costoso, hacia este tipo de
pararrayo de escaso interés práctico.
Ha sido posible aumentar la cantidad de iones producida por el pararrayos
radiactivo, y limitar simultáneamente la cantidad de material radiactivo
necesario, aplicando al pararrayo un dispositivo de aceleración.
La función específica del pararrayo radiactivo es: producir un elevado número
de iones y dirigirlos hacia arriba, evitando que se acumule carga en el terreno
donde está instalado, con el fin de evitar el rayo positivo o la atracción del rayo
negativo (VER EN ANEXOS FIGURA 31)se muestra un esquema de la
constitución y funcionamiento del pararrayo radiactivo.
La materia radiactiva depositada en el ionizador emite en forma continua la
radiación específica del material que se trate pudiendo ser cualquiera de las
tres radiaciones básicas alfa, beta o gamma.

49
En México, el material radiactivo utilizado en el ionizador, es el radio 226 con
vida media de 1,600 años, con emisión alfa de 4.5 MeV y el Americio 241 con
vida media de 433 años y emisión alfa de 5.5 MeV , ambos con poca
penetración por ser emisiones alfa, por lo que hay que depositarlos con una
protección muy delgada para obtener una mejor ionización, resultando
peligroso para usuarios, por lo que hizo que pasaran a control del Instituto
Nacional de Energía tanto para localización como para mantenimiento y su uso
fue prohibido por la a de Salubridad y Asistencia en 1968.
El acelerador atmosférico, es un anillo equipotencial, conectado eléctricamente
al asta central, con soportes horizontales, y este actúa con el gradiente
electrostático de la atmósfera que como veíamos en el capítulo anterior, figura
9, provocando una diferencia de potencial que acelera los iones y electrones
que se encuentran entre el asta y anillo. Hasta el punto de provocar una
ionización por choque Tiene también un segundo anillo deflector, que centra los
iones provocando flujos dirigidos hacia la nube, pero resulta ineficiente para las
cargas electrostáticas muy rápidas por ser ionización de choque, dando como
resultado que en las descargas sucesivas la ionización disminuye, actuando
solamente al asta central. Como pararrayos pasivo.
En (VER EN ANEXOS FIGURA 32) se muestra un pararrayos del italiano
Donelli. Donde se ve, que el sostén del anillo es un aislante colocado en forma
horizontal. Pero el aislante superior que contiene material radiactivo, no tomo
En consideración el flameo que pueda ocurrir en una descarga atmosférica lo
que aumenta el riesgo de desprendimiento de material radiactivo.
En (VER EN ANEXOS FIGURA 33) se muestra otro tipo de pararrayos
denominado sistema Dipolo que tiene dos anillos equipotenciales, sostenidos
horizontalmente, de diferente dimensión. El ángulo de protección que genera
este tipo de pararrayos es de 71 grados según dice su fabricante.

50
El ángulo de protección que genera depende del anillo equipotencial
básicamente, ya que la cantidad de iones producidos por el material radiactivo
es prácticamente constante y no depende más que de la cantidad de materia
radiactiva depositada.
Otra desventaja del pararrayo radiactivo es que las partículas materiales
ionizadas, son susceptibles de ser conducidas por el viento en diferentes
direcciones, hasta el punto de que la atmósfera ionizada por el pararrayos, pero
de forma y dimensiones muy variables según la intensidad y la dirección del
viento, lo cual da la probabilidad de falla. Algunos ejemplos de pararrayos
radiactivos en la Ciudad de México, están en
El Museo de Antropología e Historia en su fuente principal, en los edificios de
Tlatelolco, en el depósito de combustible del Aeropuerto Internacional de la
Ciudad de México y otros.
El Modelo de pararrayos empleado es el Copart, que se muestra en (VER EN
ANEXOS FIGURA 34), es fotocopia de la patente en Estados Unidos y en el
que el acelerador, es el plato hedor del material radiactivo.
2.9 PARRAYOS DE EFECTO CORONA.
El pararrayos de Efecto Corona, es otro tipo de pararrayos que evita la
acumulación de cargas eléctricas en el lugar donde está instalado, esto lo logra
porque al igual que el radiactivo, tiene también un anillo equipotencial o
acelerador atmosférico alrededor de su núcleo, pero este no contiene material
radiactivo, solo suma el efecto del anillo equipotencial al efecto de puntas que
tiene todo pararrayos.

51
El anillo equipotencial de éste tipo de pararrayos se diferencia del radiactivo en
que su sección no es circular, sino que es recto en su parte interna, por lo que
el campo electromagnético que genera, no es circular, siendo mayor en la parte
interna, es decir, lo que esta junto al núcleo, como se ve en (VER EN
ANEXOS FIGURA 35), logrando con ello mayor eficiencia en la emisión de
iones, cuando aumenta el gradiente electrostático en la dirección de la punta
del pararrayos, logrando con ello, guiar el rayo positivo que brota de la tierra.
En l(VER EN ANEXOS FIGURA 36) vemos que el conductor no puede tener
cambios bruscos de dirección, por el mismo frente de onda que se genera, sin
embargo, en los pararrayos radiactivos, el sostén de los anillos es horizontal,
es decir, el flujo de la corriente tiene que hacer un cambio en la impedancia
total del conjunto receptor. En el pararrayos de Efecto Corona el sostén es por
medio de anillos que tienen el ángulo de tensión del frente de onda o sea 33
grados, con respecto del núcleo lo que reduce la impedancia del conjunto
receptor y al mismo tiempo, aumenta el flujo de corriente hacia el anillo
equipotencial, logrando con ello que el campo eléctrico resultante en la punta,
se incremente, al igual que el efecto de puntas y el Efecto Corona, supliendo
así el material radiactivo, que ioniza la atmósfera. Además en comparación de
la influencia del viento con respecto al radiactivo, en este caso es menor por
ser eléctricamente activo y no materia ionizada.
El ángulo de protección generado por el anillo equipotencial, es en este tipo de
pararrayos de 60 grados, lo que aumenta en 15 grados al de Franklin. Este
pararrayos tiene también elementos para la carga sucesiva, teniendo en cuenta
el efecto superficial de la corriente alterna, para lo cual tiene el ángulo A de la
(VER EN ANEXOS FIGURA 37) que desvía parte de la corriente al anillo
equipotencial, provocando con ello interferencia en el flujo total de energía en el
conductor y cuando sucede la descarga sucesiva ascendente, actúa
nuevamente el anillo, incrementando el campo eléctrico. Se pude usar este tipo
de pararrayos, solo con el radiactivo o en combinación con la Jaula de Faraday
como el Melsens.

52
Si se utiliza con la Jaula de Faraday la separación entre puntos es de 30
metros, de que descarga en forma continua la jaula por lo que es la
combinación que se utilizaría.
En (VER EN ANEXOS FIGURA 38) se muestra una edificación con el
pararrayos de Efecto Carona m el que si se toma en cuenta el ángulo que
genera el pararrayos, ahorrando con ello conductor y conjuntos receptores. Si
se utiliza sólo puntas elevadas, se toma en cuenta el ángulo de protección de
60 grados.
Al no utilizar material radiactivo, se tiene un ángulo de protección de 60 grados
y f, tinte elementos para la descarga sucesiva, consideramos a este último tipo
de pararrayos mejor que los anteriores.
2.10 PARARRAYOS MAGNETIZADOS
Este es un pararrayos tipo DIPOLO que ha sido diseñado y construido para
conducir eficazmente a tierra descargas electrostáticas de tipo atmosférico,
comúnmente llamadas rayos, con el fin de evitar que estas descargas causen
daños personales y materiales.
El pararrayo consiste de una barra de fierro sólido cuya superficie está
niquelada y cuyo extremo superior termina en punta. Por debajo de esta punta
se encuentra un disco de fierro cubierto con material plástico y en el extremo
inferior de la barra se encuentra un manguillo de hule vulcanizado que tiene por
objeto aislar de la barra del mástil que soporta por debajo de este manguillo se
encuentra un dispositivo de conexión para conectar el cable que une el
pararrayos con los electrodos de conexión a tierra.
Todos los elementos que integran el pararrayos están magnetizados. Esta
magnetización produce un campo magnético de gran densidad, el cual
amortigua la descarga atmosférica y la conduce a tierra a través del cable y
electrodos anteriormente mencionados, evitando la dispersión iónica que
pudiera causar daños personales o materiales.

53
3.0 DISEÑO DEL SISTEMA DE PROTECCIÓN.
3.1 CONSIDERACIONES PARA EL DISEÑO.
Las consideraciones que regirán para la construcción de éstos sistemas de
pararrayos, son las que se detallan a continuación. En su mayoría, han sido
tomadas de las correspondientes a la "N.F.P.A" National Fire Protection
Association" y "U.L." "Underwriters Laboratories Inc." de los Estados Unidos;
adaptadas a nuestras necesidades así como a la disponibilidad de nuestro país
de materiales de uso.
Adelante, en forma condensada, se indican los puntos básicos de estas
disposiciones, por lo tanto de acuerdo a ellas, se deberán interpretar los planos
de proyecto. En ningún caso se aceptaran modificaciones o substiciones
basadas en sistemas de teorías diferentes.
Si durante la construcción fuera necesario modificarse la localización de algún
elemento, recorrido de conductores ya sea en azotea o en bajadas, o
electrodos de tierra, estas modificaciones deberán hacerse de acuerdo con la
especificación aquí indicada y previa la solución de la dirección de la obra.
3.2 DIFERENTES TIPOS DE EDIFICIOS A CONSIDERAR PARA LA
PROTECCIÓN CONTRA DESCARGAS ATMOSFÉRICAS.
Para el objeto de estas normas, se puede considerar que los edificios se
dividen en dos categorías cada una en dos tipos diferentes.
Clasificación general.
1. Basada en la altura de los edificios.
2. Basada en la pendiente de los techos.

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Subdivisiones.
1. La clasificación basada en la altura de las construcciones considera dos
tipos diferentes:
a) Edificios de clase I.
b) Edificios de clase II.
Un edificio de clase I es todo edificio con una altura inferior a 23 metros. Un
edificio de clase II es aquel cuya altura rebasa los 23 metros, o bien todo
edificio que tiene una estructura de acero, de cualquier altura, cuya estructura
puede sustituir los conductores de bajadas a tierra.
La distinción, determina el tipo de conductor que se debe usar ya que los
conductores para las estructuras de clase II son de dimensiones más grandes y
de conductancia más alta que los valores mínimos permitidos en los edificios
de clase I.
2. En lo referente a la inclinación o pendiente de los techos, estos quedan
clasificados en los dos tipos que se indican a continuación.
a) Techos o azoteas planos o de pendiente ligera.
Estos son todos aquellos que, no exceden 2 metros de ancho y cuya
inclinación es menor de 1/8. Están considerados dentro de esta misma
categoría los que sobrepasan los 12 metros de ancho, con una pendiente de
1/4 ó menos.
b) Techos inclinados.
Son todos aquellos que tienen una inclinación mayor a las indicadas en el
párrafo anterior.

55
3.3 ESPECIFICACIONES.
Una vez definido y clasificado el edificio a proteger: las especificaciones que
regirán para su protección contra descargas atmosféricas serán las que se
detallan a continuación y serán aplicadas de acuerdo con la clasificación que le
corresponda.
Estas especificaciones se dividen en dos:
A. Especificaciones sobre materiales
B. Especificaciones sobre instalaciones.
3.3.1 A.-Especificaciones sobre materiales.
Generalidades.- Los materiales empleados en el sistema de protección contra
descargas atmosféricas deben ser resistentes a la corrosión y han de estar
debidamente protegidos contra ella. No utilizará combinación alguna de
materiales que formen un par eléctrico de tal naturaleza que la corrosión se
acelere en presencia de humedad.
Los pararrayos deberán estar construidos con los siguientes materiales:
a) Cobre. Cuando se use cobre, el mismo deberá ser de la calidad que
normalmente se exige para los trabajos eléctricos industriales,
generalmente especificados teniendo 95% de conductividad.
b) Aleaciones de cobre. Estas deberán ser, sustancialmente, tan
resistentes a la corrosión como el cobre en igualdad de condiciones.
c) Diseño. Los diseños de los materiales que se utilicen en protección
contra rayos deberán ser los que permiten el mejor aprovechamiento de
los materiales y que, además, sean adecuados para cada función
determinada. Su diseño será especialmente para pararrayos.

56
En ningún caso se aceptaran improvisaciones con materiales diseñados y
construidos para otros fines.
A-1 Terminales aéreas o puntas.- Las terminales aéreas, deberán ser
fabricadas con varilla maciza de cobre electrolítico.
Su diámetro será de 13 milímetros y el largo de las mismas habrá de ser tal
que su extremo cónico quede a menos de 25 centímetros del objeto que haya
de protegerse.
Las terminales aéreas estarán soportadas por bases fundidas y sujetas
directamente a ellas, mediante una cuerda roscada de no menos de 5 hilos,
para su mayor conservación y presentación, deberán ser niqueladas o
cromadas.
Cuando se unen terminales aéreas de más de 60 metros estas deberán quedar
sustentadas por tripies unidos en forma rígida y permanente al edificio.
El punto de sustentación de estos tripies con las terminales deberá quedar
cuando menos a la mitad de su altura (VER EN ANEXOS FIGURA 38 Y 39).
A-2.-Conductores.- Los conductores que se emplearán para estas
protecciones, deberán estar diseñados y fabricados especialmente para
pararrayos. Estarán trenzados con alambres de cobre suave del calibre
indicado adelante, y deberán también ofrecer en peso y conductividad lo que
señalan estas especificaciones; para usarse en edificios clase I o clase II ,
según sea el caso.
No se aceptarán conductores de cobre duro o semi-duro normalmente usados
para sistemas de tierras u otros usos eléctricos.
Los conductores para interconexión, de sistema metálicos, de conducción de
agua, de calefacción por agua caliente, o bien masas metálicas que tengan

57
baja resistencia a tierra, deberán tener la misma medida que el conductor
principal.
Requerimientos mínimos de conductores
CONCEPTO
EDIFICIOS
CLASE 1
EDIFICIOS
CLASE ll
CALIBRE MINIMO DE
CADA HILO
17 AWG. 15 AWG.
PESO POR METRO
LINEAL
278 GRS. 558 GRS.
CONDUCTIVIDAD 57,400 CM. 115,000 CM.
AREA 29 mm2
58 mm2
A-3.- Bases, conectores y desconectadores.-Todo el material
empleado en estas instalaciones para cruces, derivaciones y
empalmes, así como las bases para terminales aéreas, abrazaderas
para tierra y desconectadores de tierra deberán ser fundidos en alguna
aleación de cobre con un espesor mínimo, de 2.38 mm2
A-4.- Terminales a tierra o electrodos.- Las terminales a tierra
deberán ser de acero chapado con cobre, de cobre macizo o de acero
inoxidable de 13 mm de diámetro y de 2.44 mts. De largo, como
dimensiones mínimas o bien rehiletes construidos con lámina de cobre
cal. 20 como mínimo, y una superficie de contacto no menor a 0.20 m2
.

58
A-5.-Abrazaderas para cable.- Las abrazaderas para sujetar los
conductores deberán ser resistentes a toda rotura, y deberán ser, junto
con los clavos, tornillos o pernos con que se fijen, del mismo material que
el conductor.
A-6.-Prevención de daños mecánicos.- Cuando cualquier parte de un
sistema de protección este expuesto a daños mecánicos, deberá
protegérsele recubriéndola con una cubierta moldeada o tubería.
Si en torno del conductor se utilizan tubos o conductos de un metal ferroso,
el conductor deberá estar eléctricamente conectado por sus extremos a la
tubería o ducto.
3.3.2 B. Especificaciones sobre instalaciones
B-1-A: Instalación de terminales aéreas o puntas en techos inclinados.
Las terminales aéreas se deberán colocar en la cumbrera de los
techados, a intervalos de no más de 6.00 m., salvo cuando se trate de
terminales aéreas de 0.60 m. o más altas, a las que se podrá colocar a
intervalos no mayores de 7.60 m. Las terminales aéreas deberán colocarse
a 0.60 m. o menos de los extremos de las cumbreras o los bordes v ángulos
de los techados (VER EN ANEXOS FIGURA 40)
B-1-B Instalación de terminales aéreas o puntas en azoteas planas o de
pendiente ligera.
En las azoteas o techos de pendiente ligera, las terminales aéreas
deberán ir localizadas en torno al perímetro
Cuando se trate de edificios que excedan los 15 m. de ancho, deberán
además llevar terminales aéreas adicionales a intervalos no mayores de
15 m. en las zonas intermedias.
Los intervalos entre terminales no serán mayores de 6 m. en los perímetros
y de 15 m. en las zonas intermedias.

59
Como en el caso anterior, cuando se usen terminales aéreas de 0.60 m., los
intervalos de los perímetros no deberán ser mayores de 7.60 m. Los techados
con pendiente ligera son los que tienen una extensión de 12 m. o menos y una
pendiente de 1/8 o los que tienen una anchura de más de 12 m. y una pendiente
de 1/4 o menos (VER ANEXOS FIGURA 41).
B-I-C Instalación de terminales aéreas en salientes con techos inclinados.
Los salientes que tienen la misma, o mayor altura que el techado principal,
deben protegerse con terminales aéreas, cable, conductores de bajadas y toma
de tierra en la forma normalmente especificada. Los salientes localizados
abajo de la cumbrera principal necesitan protección en todas las superficies
que sobresalgan de una zona de protección, según relación de 2 a 1(VER
ANEXOS FIGURA 42).
B-1-D Instalación de terminales aéreas en azoteas con salientes en sus
perímetros.
Cuando existen salientes en los perímetros de las azoteas planas, se
considerará que el borde de la azotea es continuo, y se colocarán terminales
aéreas a una distancia no mayor de 0.60 m, de las salientes más prominentes
del borde del techado, (VER ANEXOS FIGURA 43).
B-1-E Protección proporcionada por terminales aéreas instaladas sobre
edificios o niveles altos a zonas situadas en niveles más bajos.
Se considera que los edificios que no rebasan los 7.50 m. sobre el nivel del
suelo, protegen las zonas situadas en niveles más bajos formando una zona
de protección, según una relación de 2 a 1, (VER ANEXOS FIGURA 44).
.

60
Para las construcciones hasta de 15 m. de altura sobre el nivel del suelo, se
considera que estas ofrecen también una zona de protección en la misma forma
que para el caso anteriormente mencionado, pero con una relación de 1 a 1,
(VER ANEXOS FIGURA 45).
Se considera también que los edificios, que rebasan los 15 m. sobre el nivel
del suelo, protegen las partes situadas en niveles más bajos, si estas se
encuentran localizadas dentro de una área situada debajo de un arco de 45 m.
de radio, cuyos ~os quedan tangentes al punto más elevado del edificio y al
terreno, (VER ANEXOS FIGURA 46).
B-1-F Instalaciones de terminales aéreas en cubos de luz o superficies
abiertas en azoteas.
El perímetro de extensiones abiertas, tales como cubos de luz o mecánicos
que estén situados en azoteas, deberán quedar protegidos si su perímetro
mide más de 92 m., o bien siempre que cualquiera de los lados de la
extensión abierta rebase 15 m., sobre el nivel del suelo.
B-1-G Instalación de terminales aéreas en techos curvos en forma de
Cúpula.
En la cima de la curva o en la cúpula de un techo rematado en una cúpula
se colocará una o varias terminales aéreas, según sea necesario para que
establezcan una protección de zona de acuerdo con la relación 1 a 2.

61
B-1-H Instalación de terminales aéreas en chimeneas y ventilas.
En todas las chimeneas habrán de colocarse terminales aéreas, inclusive en
las chimeneas y ventilas metálicas prefabricadas cuya lámina metálica tenga
un espesor menor a los 4.80 mm (3/16 de pu1g.), cuando tales chimeneas o
ventilas no estén dentro de una zona de protección según una relación de 2 a
1 de una Terminal aérea.
Si el metal tiene un espesor superior a los 4.80 mm (3/16 de pulg.), solo se
necesitará interconectarlo al sistema.
Las terminales aéreas para chimenea se colocarán de modo que ninguna
arista de la chimenea esté a más de 0.60 m. de una Terminal aérea, (VER
ANEXOS FIGURA 47).
B-2 Instalación de conductores en techos y azoteas.
B-2-I-A Tendido de conductores en techos y azoteas.
Los conductores ligarán entre sí todas las terminales aéreas, y deberán
formar un sendero de doble dirección horizontal o descendente, desde cada
una de las terminales aéreas hasta las conexiones con terminales a tierra.
Los conductores deberán tenderse en un plano horizontal a lo largo de
cumbreras, de techados abovedados en tomo del perímetro de techados
planos; detrás o en lo alto de parapetos, y a través de extensiones planas de
azoteas.
B-2-1-B Eliminación de desniveles.
El recorrido de los conductores deberá ser siempre horizontal o descendente,
libre de cualquier desnivel en forma de "U" o en "V", tanto hacia arriba
como hacia abajo.

62
Estos desniveles que a menudo se presentan con chimeneas, lucernas u otras,
deberán de estar previstos de un conductor de bajada desde la parte inferior del
desnivel a tierra o al conductor principal, (VER ANEXOS FIGURA 48).
B-2-1-C Curvas ligeras.
Ninguna curva de conductor deberá formar un ángulo de más de 900
grados,
ni tener un radio de curvatura de menos de 20 cm.
B-2-1-D SOPORTES Y EMPALMES.
Soportes
Los conductores pueden tenderse en forma aérea sin soporte, en distancias de
0.90 m. o menos. Por medio de una varilla de 15.90 mm. ( 5/8 de pulg. ) o su
equivalente.
Firmemente sujeta en cada extremo, sirviendo de soporte, puede tenderse en
forma aérea un conductor hasta una distancia que no rebase los 1.80 m.
Empalmes.
En todos los empalmes de conductores, tanto " a tope ", como en "T" o en "Y",
habrán de utilizarse conectores "rectos" o "T" y deberán de soportar una
prueba de tracción de 900.00 kgr.
Dentro de los requisitos para la clase l son aceptables los empalmes con
conectores, tanto de tipo plegado como con tomillos de metal estampado o
colado. En instalaciones clase II, no habrán de usarse empalmes con
conectores tipo plegado.

63
B-2-1-E Tramos transversales en techados.
Los techos planos o de pendiente ligera cuyas dimensiones excedan de 15
m. de ancho y 45 m. de largo, deberán llevar además del conductor principal
de perímetro, tramos adicionales de conductor de las mismas
especificaciones, localizadas en forma tal, que dependiendo de las
dimensiones del techo, formen una malla ligada al conductor perimetral cuyos
rectángulos que la constituyen no excedan de 15 m. por 45 m., figura 41.
B-2-1-F Salvedades a la regla del doble conductor hacia tierra.
Como quedó indicado en párrafos anteriores, los conductores en el techado,
habrán de conectar entre sí, todas las terminales aéreas y deberán
proporcionarles a cada una de ellas, un doble camino hacia tierra sin
embargo, se establecen las dos salvedades siguientes:
a) Se permiten las bajadas desde un nivel de techado más alto a través de
otro más bajo, sin ninguna bajada extra, siempre que el tramo de
conductor del techado más bajo no tenga más de 12 m.
b) Las terminales aéreas pueden ser " PUNTAS MUERTAS ", con sólo un
camino de dirección única a un conductor principal cuando estén en
techados por debajo del nivel de la lumbrera principal, siempre que el
tramo de conductor desde la Terminal aérea hasta el conductor
principal no tenga más de 4.90 m. de longitud tota

64
II. Instalación de conductores en bajadas a tierra
B-2-II-A Recorrido y cantidad.
Cualquier tipo de construcción tendrá cuando menos, dos conductores de
bajada: La localización de los mismos dependerá de la colocación de las
terminales aéreas, del tamaño de la estructura, de que su recorrido a tierra
sea el más directo posible y del lugar en que se encuentren cuerpos
metálicos y tuberías de agua, y también de las condiciones del subsuelo.
Los conductores de bajada han de estar separados por una distancia
promedio de 30 m. como máximo.
Las estructuras de forma irregular en ciertos casos pueden requerir
conductores extra de bajada para lograr un camino de doble dirección a
tierra desde las terminales aéreas, de las lumbreras principales o de las
alas laterales.
Para determinar el número necesario de conductores de bajada, ha de
medirse sólo el perímetro " protegido ", es decir, las extensiones de
techado empinado, el perímetro protegido habrá de medirse de modo que
sea comparable con el contorno del alero o su equivalente.
B Protección de los conductores en bajada
B-2-II-B Protección.
Los conductores de bajada deberán contar con protectores que eviten daños
materiales o desplazamientos. Estos protectores serán de tubería de pvc rígido.
El conductor de bajada habrá de estar protegido en una distancia mínima de
1.80 m. arriba del nivel del suelo y deberá llevar en la parte superior del
protector de bajada un desconectador de tierra que permita desconectar del
sistema cada toma para medir su resistencia, sin necesidad de escarbar y
destapar la Terminal de la misma.

65
B-3 INSTALACION DE BASES Y ABRAZADERAS PARA CABLE.
B-3-A Sujetadores.
Las bases para punta y las abrazaderas para cable deberán estar
firmemente sujetas a la construcción o a otro objeto sobre el que se les
haya colocado mediante tornillos y taquetes.
Los tornillos que se usen, deberán ser del mismo material que las piezas
que vaya a sujetar o de un material que no tenga corrosión, electrolítica en
presencia de humedad o por contacto entre materiales disímiles. Las
abrazaderas para cable irán separadas una de otra 0.90 m. como mínimo.
B-3-B Anclaje de sujetadores.
Los sujetadores deberán tener un diámetro de no menos de 6.40 mm. (1/4 de
pulg ), y habrá de instalárseles cuidadosamente. Los agujeros que hayan de
recibir la espiga del sujetador habrán de ser del tamaño correcto, hechos
con herramientas adecuadas y abiertos en tabique o piedra más que en
juntas de mortero. Una vez instalado, el ajuste ha de ser estanco a la
humedad y capaz de resistir una prueba de tracción de 450.00 kg.
B-4 INSTALACION DE TERMINALES DE TIERRA O ELECTRODOS.
B-4-A Abrazadera para tierras.
Cada conductor de bajada deberá rematarse en una Terminal de tierra del
tipo mencionado en el párrafo A-4. La unión entre el conductor y la Terminal
deberá hacerse
Por medio de una abrazadera para tierra de tipo especial que permita un
contacto en paralelo, de por lo menos 38.00 mm entre cable y Terminal.

66
B-4-B VARIACIONES DEBIDAS A LAS CONDICIONES DEL SUBSUELO.
Ninguna Terminal de tierras deberá estar localizada a menos de 0.60 m. de
la pared de los cimientos. El diseño, el tamaño, la profundidad, la forma y el
número de terminales a tierra que se utilicen deberán cumplir con las
disposiciones contenidas en Los párrafos B-4-C, B-4-D Y B-4-F (VER
ANEXOS FIGURA 50).
B-4-C Subsuelo arcilloso húmedo profundo.
La terminal de tierra deberá penetrar verticalmente no menos de 3 m. en el
suelo; deberá apisonarse la tierra, dejándola bien apretada a todo lo largo
del conductor y de la Terminal de tierra.
B-4-D Subsuelo arenoso o de gravilla.
En arena o gravilla deberán penetrar verticalmente, a una profundidad
mínima de 3 m. del nivel del suelo, dos o más terminales de tierra con
separación de no menos 3 m. entre ellas, (VER ANEXOS FIGURA 51).
B-4-E Subsuelos tepetatados.
En los lugares en que el subsuelo es de tepetate, resultaría imposible
clavar una varilla de tierra; para esos casos, el uso de rehiletes representa
una solución más práctica y adecuada.
Cada conductor de bajada habrá de ir tendido en una zanja de 0.30 a
0.60 m. de profundidad, hasta una distancia mínima de 3 m. del edificio
protegido.

67
En ese lugar, se hará un pozo de 1.00x 1.00 m. y de 1.50 m. de
profundidad; el rehilete deberá quedar enterrado en dicho pozo, en una
mezcla de carbón y sal con una relación de una parte de sal por tres de
carbón. (VER ANEXOS FIGURA 52).
B-4-F Subsuelos poco profundos.
En los lugares en que el lecho rocoso está cerca de la superficie, los
conductores habrán de tenderse en zanjas que alejen del edificio cada uno de
los conductores de bajadas.
Estas zanjas no habrán de tener menos de 3.70 m. de longitud y de 0.30 a 0.60
m. de profundidad, cuando sean en suelo arcilloso; en suelo arenoso o de
gravilla, la zanja no habrá de tener menos de 7.30 m. de longitud y 0.60 m. de
profundidad.
Si no fuese posible llevar a la práctica estos métodos, una alternativa aceptable
de los mismos será tender el cable en zanjas de la profundidad antes
especificada o, si esto tampoco es posible, tenderlo directamente en el lecho
de roca hasta una distancia mínima de 0.60 m. de los cimientos o de la zapata
exterior, y unirlo a una placa de cobre, enterrada en el piso, esta placa de cobre
deberá tener un espesor de cuando menos 0.80 mm y una superficie mínima
de contacto de 0.18 m2. (VER ANEXOS FIGURA 53).
Si el subsuelo tiene menos de 0.30 m. de profundidad, el edificio protegido
deberá estar rodeado por un conductor igual al principal (anillo perimetral),
tendido en una zanja o bien en grietas de la roca. Partiendo de este anillo
perimetral, deberá tenderse un conductor que llegue hasta fosos en los que se
depositará metal adicional. Esto se llevará a cabo depositando una placa de
cobre de aproximadamente 0.84 m2
de extensión y de 0.80 mm (0.032 p1g.),
de espesor, o su equivalente de metal resistente a la corrosión, conectada a
los conductores laterales y cubierta con tierra suelta para absorber la
humedad proveniente de lluvia o riego. (VER ANEXOS FIGURA 54).

68
B-4-G Resistencia de la toma de tierra.
Cada toma de tierra deberá ofrecer una resistencia menor de 25 ohms. En caso
de que con una sola varilla o rehilete se obtenga una resistencia mayor, se
deberán agregar tantas tomas adicionales como sea necesario para
obtener la resistencia antes mencionada.
B-4-H Ligas de toma tierras.
Todos los sistemas de tierras de un edificio habrán de estar ligados juntos
entre sí.
Esta conjunción comprenderá la toma de tierra de los sistemas eléctricos,
de antenas, y de otros sistemas subterráneos de tuberías metálicas que
penetran en el edificio.
Estos sistemas de tubería incluirán: suministros de agua, tuberías de agua,
tuberías conduit metálicas, tuberías de gas. etc.
Las interconexiones entre los diferentes sistemas de tierra habrán de hacerse
utilizando conductores y conectores del tamaño y tipo de los usados en el sistema
de pararrayos.
B-5 LIGAS DE CUERPOS METALICOS AL SISTEMA DE PARARRAYOS.
B-5-A Ligas de masas metálicas.
Determinados cuerpos metálicos, de conductancia o de inductancia,
contribuyen al peligro de caída de rayos o de descargas laterales en el
exterior o el interior de los edificios y por lo tanto, han de ligarse al sistema
de pararrayos.

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