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• Erick Martinez

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PARARRAYOS RESUMEN Las sobretensiones en las redes de suministro eléctrico son el resultado de las descargas eléctricas producidas por rayos y maniobras que resultan inevitables. La protección eficaz contra las sobretensiones en una red de media tensión es el uso de pararrayos en las proximidades del equipo eléctrico. Un pararrayos es un instrumento cuyo objetivo es atraer un rayo ionizando el aire para llamar y conducir la descarga hacia tierra, de tal modo que no cause daños a construcciones o personas. El objetivo principal de estos sistemas es reducir los daños que puede provocar la caída de un rayo sobre otros elementos, como edificios, árboles o personas incluyendo el propio edificio que se protege. INTRODUCCIÓN ¿Qué son las descargas atmosféricas? Son el resultado de la ionización de las capas atmosféricas a causa de la radiación solar; aproximadamente, cien rayos por segundo están sucediendo en la Tierra y cualquiera de ellos llegan a desarrollar una temperatura de cinco veces la de la superficie del sol. Un rayo es una descarga eléctrica de origen atmosférico entre una nube y tierra que presenta uno o más impulsos de corriente.

¿Dónde es pararrayos?

No se puede impedir la formación de rayos y no se puede garantizar la protección absoluta.

necesario

colocar

un

Según las Normas Tecnológicas de la Edificación es necesario la instalación de pararrayos en los siguientes casos:  Edificios de más de 43 metros.  Lugares en los que se manipulen sustancias tóxicas, radiactivas, explosivas o inflamables.  Lugares con un índice de riego superior a 27.

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

Este índice se calcula dependiendo la zona geográfica, materiales de construcción y condiciones del terreno.

con el rayo proveniente de una nube de tormenta, entonces la carga se acumulará, sobretodo, en las partes puntiagudas del objeto.

Efectos del rayo Las consecuencias de un rayo pueden ser de distinto tipo:  Incendios  Daños mecánicos  Lesiones a personas o animales  Daños a equipos eléctricos y electrónicos  Explosiones, emisiones de sustancias peligrosas. Los efectos son particularmente riesgosos para:  Sistemas de computación  Sistemas de control y comunicaciones  Sistemas de suministro eléctrico ¿Estoy expuesto eléctrica?

a

una

descarga

Toda instalación o más aún, todo lugar bajo las nubes es susceptible de una descarga atmosférica; sin embargo, hay formas de reducir o incluso eliminar este riesgo. Una de las formas más comunes y eficientes de reducir este riesgo es el pararrayos. ¿Qué es un pararrayos? No es más que un dispositivo que, colocado en lo alto de un edificio, dirige al rayo a través de un cable hasta la tierra de tal modo que no cause daños a construcciones o personas. Origen El pararrayos fue inventado en 1753 por Benjamín Franklin, defendió la hipótesis de que las tormentas son un fenómeno eléctrico y propuso un método efectivo para demostrarlo. Este primer pararrayos se le conoce como “Pararrayos Franklin”, en homenaje a su inventor.

Pararrayos ionizante con cabezal de punta

Las estructuras metálicas son conductores naturales, pero también las estructuras de hormigón armado (si cumplen algunas condiciones en la armadura de hierro) se pueden considerar como buenos conductores. Los cimientos a su vez pueden ser una toma de tierra eficaz. Los pararrayos han cambiado desde entonces, aún cuando el principio básico sigue siendo el mismo, en la actualidad se han desarrollado nuevos materiales e inclusive se ha llegado al punto de crear un pararrayos que en lugar de atraer el rayo hacia un punto determinado, lo disipe. TIPOS DE PARARRAYOS Pararrayos de tipo radioactivo Consiste en una barra metálica en cuyo extremo se tiene una caja que contiene una pequeña cantidad de isótopo radioactivo, cuya finalidad es la de ionizar el aire a su alrededor mediante la liberación de partículas alfa.

El efecto punta, descubierto por Benjamín Franklin, hace referencia a que las cargas presentes en torno a un conductor no se distribuyen a de modo uniforme, sino que se juntan en las partes más afiladas y puntiagudas de éste. De este modo, si un objeto puntiagudo es sometido a una fuerte descarga eléctrica como la que se genera

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Sistema de mallas

Punta Franklin Son electrodos de acero o de materiales similares acabados en una o varias puntas, llamados Punta Simple Franklin; no tienen ningún dispositivo electrónico ni fuente radioactiva. El objetivo de estos pararrayos es proteger las instalaciones del impacto directo del rayo, excitando su carga y capturando su impacto para conducir su potencial de alta tensión a la toma de tierra eléctrica.

Pararrayos con dispositivo de cebado Están formados por electrodos de acero o de materiales similares acabados en una punta. Incorporan un sistema eléctrico que genera un avance teórico del trazador. Estos sistemas se caracterizan por anticiparse en el tiempo en la captura del rayo, una vez que se produce la carga del dispositivo electrónico de excitación.

Mallas Cabezal con dispositivo de cebado

Consisten en recubrir la estructura del edificio mediante una malla metálica conectada a tierra. Hay que hacer notar que los edificios modernos con estructura metálica, cumplen una función similar a las jaulas de Faraday, por lo que la probabilidad de que un rayo entre en uno de estos edificios es extremadamente pequeña.

Jaula de Faraday El efecto jaula de Faraday provoca que el campo electromagnético en el interior de un conductor en equilibrio sea nulo, anulando el efecto de los campos externos.

Jaula de Faraday

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Pararrayos desionizante con cabezal esférico

Tipo jaula de Faraday. Se basa en el conocido fenómeno descubierto por el físico inglés Michael Faraday. Se llama también “reticular” y consiste en un retículo o malla tendida a lo largo de los aleros del tejado de grandes edificios y conectada eléctricamente a tierra.

Sistema Captor Está formado por una combinación de varillas con puntas, conductores tendidos, mallas, o componentes naturales de la estructura (techo metálico). El captor debe estar en los lugares donde cumple la función de tal. El método para encontrar zonas de la estructura donde deben encontrarse los captores utiliza una esfera rodante.

Tipo Jaula de Faraday

Estructura y funcionamiento Los pararrayos consisten en un mástil metálico (acero inoxidable, aluminio, cobre o acero), con un cabezal captador. El cabezal puede tener muchas formas en función de su principio de funcionamiento: puede ser en punta, multipuntas, semiesférico o esférico y debe sobresalir por encima de las partes más altas del edificio al que protegen. El cabezal está unido a tierra, mediante un cable de cobre conductor. La toma de tierra se hace mediante picas hincadas en el terreno, mediante placas conductoras también enterradas, o bien con un tubo sumergido en el agua de un pozo. En principio, un pararrayos protege una zona teórica de forma cónica con el vértice en el cabezal; el radio de la zona de protección depende del ángulo de apertura de cono y a su vez éste depende de cada tipo de protección.

Cabezal de punta y cabezal multipunto

El radio de la esfera se toma entre 20 y 60 metro según el nivel de protección (mayormenor) que se necesita o debe tener. El captor puede hacerse con componentes naturales (captor de hecho) de la estructura:    

Chapas metálicas Elementos metálicos de construcción del tejado (cerchas, armaduras) Canalones, barandillas y decoraciones Conductos, conductores y depósitos

Para que el techo pueda considerarse captor debe haber:   

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Continuidad eléctrica entre las chapas Espesor de las chapas, 0.5mm si se acepta la perforación, o más (4mm para hierro) si se pretende que no se perfore. Las chapas no deben estar cubiertas de material aislante (pintura, 0.5mm de asfalto, 1mm de PVC no se consideran aislantes) Conductos y depósitos deben ser de 2.5mm si se acepta la perforación, o más (5mm para hierro) si no se acepta.

Entre el captor y un objeto metálico que se quiere protegido, debe haber cierta distancia, que debe ser mayor que la llamada distancia de seguridad. Las bajadas Se deben disponer para que se presenten varias trayectorias en paralelo entre el punto de impacto y la tierra, además la longitud de las trayectorias debe reducirse al mínimo, es lógico que las bajadas sean prolongación del captor.

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La bajada de un mástil metálico es natural, no requiere conductor de bajada, análogamente una antena. Si el captor es de conductores horizontales es necesaria al menos una bajada en cada extremo, si es una red de mallas, al menos una bajada por cada estructura de apoyo. Las bajadas de deben repartir a lo largo del perímetro de manera de tener una separación media (10 a 25 metros, según el nivel de protección mayor-menor), y al menos dos bajadas en los ángulos de la estructura. La punta de la barra de un pararrayo está ubicada por lo menos a 1.00 m por sobre las partes más elevadas de un edificio, torres, tanques, chimeneas y mástiles aislados. Las bajadas se deben interconectar horizontalmente cerca del suelo, y en edificios altos cada 20 metros de altura. Deben estar alejadas de puertas y ventanas, su trayecto debe ser el más corto posible a tierra y se debe evitar la formación de bucles.

Sistema de puesta a tierra Deben drenar al suelo la corriente de descarga atmosférica sin provocar sobretensiones peligrosas. Aunque se recomienda un valor bajo de resistencia, disposición y dimensiones de los electrodos son más importantes para el control de las sobretensiones a tierra. Los cimientos son una toma de tierra eficaz, pero el planteo de aprovecharlos debe ser previo a la construcción, se comparte información de tipo de suelo, de sus características, resistividad en particular, y se debe dialogar con los proyectistas de la estructura. El sistema de puesta a tierra contra el rayo también puede ofrecer protección de instalaciones eléctricas de baja tensión e instalaciones de comunicaciones, se considera hoy que la mejor solución es un único sistema integrado en la estructura y previsto a todos los fines.

Los cimientos de las fundaciones son un electrodo de tierra natural que se complementa con conductores anulares, radiales y verticales (o inclinados).

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La longitud del electrodo de tierra mínima es de 5 metros. Cuando la resistividad del terreno se reduce con la profundidad resultan convenientes los electrodos profundos. La disposición de los sistemas de tierra puede ser: 

Electrodos verticales (o radiales) en cada bajada con un mínimo de dos electrodos de tierra, y de longitud mínima l1 si radiales o 0.5 * l1 si verticales, o una resistencia menor de 10 ohm.

Para resistividades mayores o estructuras grandes es preferible: 

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Electrodo de tierra de cimientos o conductor anular cuyo radio geométrico debe ser mayor que l1. Si el valor del radio es menor de l1 se deben añadir conductores radiales (l1 - r) o verticales 0.5 * (l1 - r). El electrodo anular debe estar enterrado 05 m y a 1 m de los muros como mínimo.

La tensión de paso aparece en la superficie del suelo entre dos puntos distantes (entre los pies de un paso convencional de 1m) cuando se inyecta corriente al suelo a consecuencia de una falla a tierra. La tensión de contacto se presenta sobre el cuerpo de una persona que toca una carcasa, estructura o tablero, entre sus manos y sus pies (convencionalmente 1m entre los pies y la proyección en el suelo de la mano). Ambas tensiones son causadas por la distribución de los potenciales de tierra al ocurrir una falla que es causa de la dispersión de corriente. Conductores Las dimensiones mínimas de los conductores dependen del material y función, en mm2 son las de la tabla:

Tensión de paso y tensión de contacto Alrededor de los elementos puestos a tierra, y en el terreno próximo a la red que drena corriente a tierra se presentan tensiones que pueden ser peligrosas para los seres vivos, y que se llaman tensiones de paso (Up) y tensiones de contacto (Uc), la tensión en el terreno depende del electrodo de puesta a tierra, que fija una función de la tensión que depende de la distancia del punto a los electrodos. Nótese la tensión total que asume la red de tierra respecto de un punto muy alejado (referencia) UT = RT * lkd, que depende de la resistencia de puesta a tierra RT, y de la corriente drenada lkd. Se forma entonces un campo potencial alrededor del electrodo que drena y entre los pies de una persona que se acerca se presenta la diferencia de potencial llamada tensión de paso, y si una persona toca elementos conectados a la red de tierra entre sus pies y manos se presenta la tensión de contacto.

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El conductor aéreo: está formado de cable de cobre de más de 8mm de diámetro o cable de hierro de más de 11mm de diámetro, aunque también se puede emplear tubos de los mismos materiales. Una condición importante es que no esté aislado del edificio que protege. El conductor subterráneo: consiste en placas de cobre o de hierro galvanizado de un metro cuadrado de superficie por lo menos, hundidas en el agua de un pozo o mejor en la tierra húmeda y enlazadas al conductor aéreo. Si el terreno es seco, es mejor usar como conductor subterráneo un cable muy largo enterrado alrededor de la casa. Se debe tomar en cuenta que el radio de la base es circular (R) es igual a la altura (A) del pararrayos.

La sección de los conductores debe ser verificada para que conduzcan la corriente de tierra o una parte de la misma (60 %), y los conductores enterrados deben tener tamaños

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convenientes para soportar la corrosión, un punto que merece protección cuidadosa es el pasaje de los conductores del aire a la tierra, donde también se presentan fenómenos de corrosión. La sección más comprometida de los conductores de puesta a tierra es le chicote de conexión de cada soporte a tierra, ya que por él pasa la máxima corriente, que luego se distribuye entre las ramas de la red dispersora.

diseño del sistema de protección contra tormentas eléctricas sea parte del proyecto de la instalación eléctrica y la estructura del edificio o instalación, debido a que nos permite realizar un análisis que brinde mejores costos al poder utilizar la propia estructura de la edificación para el sistema a tierra y realizar propuestas para una protección integral del sistema. Un pararrayos, generalmente tiene una altura de 2 m. y debe colocarse por lo menos 2 m. por encima del punto más alto del inmueble. Claro está esto varía de acuerdo al radio de protección que se le quiere dar a toda la edificación. A mayor altura del pararrayos, mayor cobertura. El mástil se conectará en su extremo inferior a un cable de cobre. El otro extremo del cable se conectará a la puesta a tierra. Finalmente la puesta a tierra se cubrirá con arcilla o arena para permitir el libre paso de los electrones en el momento de la descarga de un rayo.

Hay que hacer notar que los edificios modernos con estructura metálica, cumplen una función similar a las jaulas de Faraday, por lo que la probabilidad de que un rayo entre en uno de estos edificios es extremadamente pequeña. INSTALACIÓN DE PARARRAYOS Todo sistema requiere una correcta e integral instalación que genere el normal funcionamiento del proyecto, respetando los parámetros técnicos proyectados. Un sistema pararrayos es un elemento que se compone de tres partes:   

Pararrayo propiamente dicho Cable o elemento conductor Tierra Física

El pararrayos se instala de forma preferente sobre el punto más alto, eventualmente levantado por un mástil fabricado de acero inoxidable. Se hace recomendable que en el

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Para la colocación del cabezal captador: Detalles constructivos del sistema a. Conductividad -La resistencia total desde el pararrayos hasta la placa será de menos de 0,03 ohms. b. Conexionado y disposición - Las interconexiones deben ser mínimas. - La trayectoria será lo más sencilla posible, evitando curvas pronunciadas y ángulos rectos, según se detalla a continuación: Diferentes formas de efectuar el tendido de la línea de bajada. - La sección del conductor de bajada será de cobre de 50 mm2, por lo menos. Precauciones. - Todo elemento por el cual circula corriente provoca un campo magnético alrededor del mismo, se deberá prestar atención entonces en la ubicación del instrumental eléctrico y electrónico. Recomendaciones: 1) Solo se usará cobre conductor, del tipo electrolítico, de uso eléctrico. 2) Se usarán materiales de primera y altamente resistentes a la corrosión para que su mantenimiento sea mínimo. Se preferirán abrazaderas, grapas, etc., de bronce o cobre. 3) Las conexiones no serán soldadas, son convenientes las conexiones abulonadas con arandelas de contacto dentado, todo convenientemente asegurado. - Los cables irán rectos, en la medida de lo posible. Descripción de Instalación 

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Se sitúa la arqueta de registro y se fijan los conductores en la zanja. Posteriormente éstos se sueldan a la placa de tierra. Se conecta el cable al puente de comprobación. Se rellena la tierra con carbono, cables y líquido Lowpat.

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Se ensambla el mástil. Se pasa la bajante por el interior del mástil. Se coloca la bajante a la pieza de adaptación y luego ésta al mástil. Se fijan el mástil y el cabezal y por último se levanta el mástil.

Posteriormente deben realizarse las mediciones de la puesta a tierra correspondientes con un telurómetro cuya resistividad cuya resistividad debe resultar menor a 10 ohms con un mínimo de 3 electrodos. NORMAS Existen ciertas normas tecnológicas de edificación que dictan su necesidad en caso de un edificio de más de 43 metros de altura, o bien, en aquellas edificaciones en las que se manipulen sustancias radioactivas, inflamables, tóxicas o explosivas. Por último, se debe tomar en cuenta el índice de riesgo. Este índice se calcula considerando la zona geográfica en la que se encuentra la edificación, las condiciones del terreno y los materiales con los que se ha construido. En el Reglamento de Construcciones para el Distrito Federal, señala lo siguiente: Art. 117. Las edificaciones deben estar equipadas de pararrayos en los casos y bajo las condiciones que se mencionan en las Normas y demás disposiciones aplicables. Las edificaciones deben estar equipadas con sistemas de protección a las descargas eléctricas atmosféricas que las protejan eficientemente contra este tipo de eventualidad, en los casos y bajo las condiciones siguientes: I. Todos los cuerpos construidos de más de 25 m de altura, incluyendo aquellas cuyos tanques elevados de metal o concreto, casas de máquinas, torres, antenas, cobertizos, soportes de anuncios o cualquier tipo de edificación que sobrepase esta altura. II. Todas las edificaciones consideradas con grado de riesgo alto de incendio. III. Todas las edificaciones aisladas en un radio de 500 m sin importar su altura. Se excluyen aquellas edificaciones ubicadas en el radio de 500.00 m de un edificio más alto, adecuadamente protegido. Las fábricas y almacenes de explosivos así como las

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plantas de generación, de transmisión eléctrica y sistemas de distribución, deben contar con sistemas diseñados en base a estudios especiales. Se considerará como parte del sistema de pararrayos los elementos de captación, la red de interconexión y los dispositivos de puesta a tierra. Los materiales a emplear deben ser resistentes a la corrosión y estar debidamente protegidos contra ella. La instalación de los elementos de captación, terminales aéreas o puntas se deben colocar firmemente ancladas sobre superficies sólidas de techos, azoteas, cubiertas, muros o pretiles y superficies abiertas en las áreas o zonas más altas de las construcciones. Cualquier otro arreglo o el uso de otros sistemas o dispositivos captadores, como el de sistemas con dispositivos de cebado o los sistemas de dispersión de cargas, debe ser sustentado por la memoria de cálculo. Se colocarán puntas de captación de descargas eléctricas atmosféricas en todo el perímetro a cada 15 m como máximo y en los vértices de las losas o cubiertas superiores de los edificios; adicionalmente debe existir una punta de descarga a cada 15 m de longitud como máximo en ambos sentidos en superficies horizontales o inclinadas suficientemente extensas. Toda la instalación del sistema de pararrayos formará una red metálica sin interrupción, desde los elementos captadores, hasta los electrodos o varillas de puesta a tierra, evitando la formación de arcos, empleando para ello los conectores mecánicos o soldables adecuados. La conducción a tierra debe seguir el camino más directo y evitar los dobleces de 90°. Los cambios de dirección se harán con curvas con radios no menores a 203 mm.

MANTENIMIENTO El mantenimiento de un sistema de protección debe consistir en una revisión periódica anual es inmediatamente después de que se tenga constancia de haber recibido una descarga eléctrica atmosférica. No se debe omitir que estos trabajos periódicos conservan en perfecto estado la instalación evitando así, costos mayores de reparación. Éste debe realizarse por personal especializado. Debidamente capacitado por el fabricante o las empresas distribuidoras. El mantenimiento que se le debe dar a cada una de las partes que conforman u sistema de protección externa (pararrayos):  

Se han agregado unas tablas con respecto al nivel de riesgo que una edificación y para saber qué tan necesario debe ser un pararrayos. De acuerdo con las Normas Tecnológicas de la Edificación.

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CABEZAL Comprobación del estado de conservación y su fijación al mástil. MASTIL Comprobación de la existencia y proceso de oxidación. Se deben revisar los anclajes y las oxidaciones. RED CONDUCTORA Comprobación de la continuidad eléctrica y la resistencia en ohms del cable, el estado de las abrazaderas y su tensado. Así mismo la presencia de oxidación y fijación del tubo de protección. Observación del contador de impulsos de rayo en caso de existir.

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TOMA DE TIERRA Comprobación de las conexiones con la red conductora y de la resistencia óhmica (esta operación de medición se efectúa con un medidor de alta precisión y se debe obtener un resultado inferior o igual a 10 ohms, según Normativa UNE 21.186) y se revisará el estado general de conservación.  ESTUDIO DE COBERTURA Este servicio está orientando a determinar si la actual cobertura está lo suficientemente dimensionada para la seguridad de las dependencias.

BIBLIOGRAFÍA

Finalmente estando correctamente diseñado y montado, suponiendo que se encuentre completo y sin defectos, un sistema de pararrayos no requiere ser operado.

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CONCLUSIONES

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En el mundo se producen unas 44,000 tormentas y se generan más de 8, 000,000 de rayos según el sistema de detección mundial de meteorología.

Arnal Simón, Betancourt Suárez. Reglamento de Construcciones para el Distrito Federal. Ed. Trillas

Norma IRAM 2281 Puesta a tierra de sistemas eléctricos Norma IRAM 2184-1-1 Parte 1 sección 1 Guía A: elección de los niveles de protección para los sistemas de protección contra el rayo (SPCR). Especificación N 3 de SEGBA Recomendaciones para la puesta a tierra de instalaciones:

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http://tesatel.netfirms.com/curri/sitio-1/galrayos.htm http://educar.sc.usp.br/ciencias/fisica/fisic aespanhol/glosespan.htm http://www.construir.com/Edifica/documen t/seccin4d.htm#4.8.7.0. http://www.aplicaciones-tecnologicassa.es/rayo/index.html

La descarga atmosférica (rayo) puede ser fatal si no es conducida eficazmente a tierra, en su trayectoria transportan corrientes eléctricas de gran magnitud. Es por eso que es de suma importancia la utilización de pararrayos que nos protegen en la medida de lo posible de estas descargas atmosféricas. Las descargas atmosféricas pueden sobrepasar algunas veces el rango de amperios considerado para la creación de estos dispositivos. Y algunos pararrayos incluso, han desaparecido a causa de estos impactos. Como hemos visto son dispositivos de protección adecuada, más no absoluta y eficaz. Ya que las descargas atmosféricas son impredecibles e inevitables. Y como arquitectos es indispensable el conocimiento acerca de estos temas, ya que nosotros al construir “refugios” para el ser humano, debemos considerar estos factores de gran importancia.

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TEMA 10 PARARRAYOS NOMBRE:

FECHA

CRUCIGRAMA Horizontales 1) 2)

3)

4)

5)

Inventor del Pararrayos Sistema formado por una combinación de varillas con puntas, conductores tendidos, mallas, o componentes naturales de la estructura (techo metálico). Se deben disponer para que se presenten varias trayectorias en paralelo entre el punto de impacto y la tierra. Son un electrodo de tierra natural que se complementa con conductores anulares, radiales y verticales (o inclinados). Conductor formado por cables.

VERTICALES 1) Efecto descubierto por Benjamín Franklin que hace referencia a que las cargas presentes en torno a un conductor no se distribuyen uniformemente. 2) Es uno de los efectos provocados por el rayo de gran riesgo 3) Jaula que consiste en un retículo o malla tendida a lo largo de los aleros del tejado de grandes edificios y conectada eléctricamente a tierra. 4) Ayuda a drenar al suelo la corriente de descarga atmosférica sin provocar sobretensiones peligrosas. 5) Conductor formado por placas de cobre o hierro galvanizado.

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