COMPARATIVA-DE-DIFERENTE-TIPOS

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INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL 
 ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA 
UNIDAD PROFESIONAL “ADOLFO LÓPEZ MATEOS” 
ZACATENCO 
 
 “COMPARATIVA DE DIFERENTES TIPOS DE 
PERFILES DE PARARRAYOS POR EL MÉTODO 
DEL ELEMENTO FINITO" 
 
TESIS 
 
PARA OBTENER EL TITULO DE: 
 
INGENIERO ELECTRICISTA 
 
 
 
PRESENTA: 
 
ENRIQUE CERVANTES CAPISTRAN 
 
 
 
 
ASESORES: 
 
M. EN C. BALDOMERO GUEVARA CORTÉS 
M. EN C. JUVENAL GERARDO MATURANO RODRÍGUEZ 
 
Ciudad de México., DICIEMBRE 2019 
Agradecimientos 
 
El presente trabajo investigativo lo dedico principalmente a Dios, por ser el 
inspirador y darnos fuerza para continuar en este proceso de obtener uno de los 
anhelos más deseados. 
A mis abuelos, más que mis abuelos fueron las personas después de mis padres 
que más se preocupaban por mí. Sus canas fueron sinónimo de sabiduría. Me 
ensañaron muchas cosas vitales para la vida y me encaminaron por el buen 
camino del sendero. 
A mi abuelo Norberto Guillermo Capistran Gonzales por su increíble fortaleza y 
a mi abuela Ma. Del Carmen Galicia Rojas por su gran corazón y nobleza. 
A mis padres Manuel Cervantes Flores y Carmen Capistran Galicia quienes con 
su amor, paciencia y esfuerzo me han permitido llegar a cumplir hoy un sueño 
más, gracias por inculcar en mí el ejemplo de esfuerzo y valentía, de no temer las 
adversidades porque están conmigo siempre. 
A mis hermanos Cesar y Javier por su cariño y apoyo incondicional, durante todo 
este proceso, por estar conmigo en todo momento gracias. A toda mi familia 
porque con sus oraciones, consejos y palabras de aliento hicieron de mí una mejor 
persona y de una u otra forma me acompañan en todos mis sueños y metas 
 
 
 
 
RESUMEN 
 
 
En este trabajo se realiza una introducción sobre las teorías de la formación del rayo, 
posteriormente se plantea un estudio comparativo a partir de simulaciones del programa 
del elemento finito, para seleccionar el dispositivo que tienen mejor comportamiento en 
la captación de las descargas atmosféricas. Dicha comparación se realiza con información 
experimental llevada a cabo en el laboratorio de Alta Tensión de la Escuela Superior de 
Ingeniería Mecánica y Eléctrica Zacatenco. 
 
 
 
ÍNDICE 
 
 Página 
INTRODUCCIÓN ................................................................................................................................................. I 
PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA. ................................................................................................................... II 
JUSTIFICACIÓN ................................................................................................................................................. III 
OBJETIVO ......................................................................................................................................................... IV 
OBJETIVOS ESPECÍFICOS ................................................................................................................................... IV 
ALCANCES ......................................................................................................................................................... V 
LIMITACIONES .................................................................................................................................................. V 
ANTECEDENTES ................................................................................................................................................ VI 
CAPÍTULO 1 MARCO TEÓRICO DE LA DESCARGA ATMOSFÉRICA ...................................................................... 1 
1.1 FORMACIÓN DEL RAYO .................................................................................................................................. 2 
1.1.1 TEORÍA DE SIMPSON .............................................................................................................................. 2 
1.1.2 TEORÍA DE ELSTER Y GEITEL ................................................................................................................... 3 
1.1.3 TEORÍA DE WILSON ................................................................................................................................ 4 
1.1.4 TEORÍA DE SCHONLAND ......................................................................................................................... 5 
1.2 FÍSICA DE LAS DESCARGAS ............................................................................................................................. 6 
1.2.1 DESCARGA CORONA ............................................................................................................................... 7 
1.2.2 DESCARGA DE STREAMER ...................................................................................................................... 7 
1.2.3 DESCARGA ESCALONADA ....................................................................................................................... 7 
1.2.4 LA FORMACIÓN DEL LÍDER ..................................................................................................................... 8 
1.3 PARARRAYOS ................................................................................................................................................. 9 
1.4 PARARRAYOS TIPO FARADAY ......................................................................................................................... 9 
1.5 PARARRAYO TIPO TRIPOLAR ........................................................................................................................ 10 
1.6 PARARRAYO TIPO DIPOLO ............................................................................................................................ 11 
1.7 PARARRAYOS CON DIPOSITIVOS DE CEBADO ............................................................................................... 13 
1.8 TIPO PIEZOELÉCTRICO .................................................................................................................................. 14 
1.9 TIPO ELECTRÓNICO ...................................................................................................................................... 15 
1.10 PDC PARARRAYO MECÁNICO ..................................................................................................................... 16 
1.11 PARARRAYOS DESINONIZADORES DE CARGA ELECTROSTÁTICA (PDCE) .................................................... 16 
1.12 PARARRAYOS STREAM ............................................................................................................................... 17 
1.13 MODELO DE THUM .................................................................................................................................... 18 
1.14 MODELO DE ERIKSSON ............................................................................................................................... 19 
1.15 MODELO DE RIZK ........................................................................................................................................ 20 
1.16 MODELO DE DELLERA-GARBAGANATTI ..................................................................................................... 22 
CAPÍTULO 2 TIPOS DE PRUEBAS FÍSICAS A PARARRAYOS EN EL LABORATORIO ............................................. 24 
2.1 PRUEBA 1: OBTENCIÓN DEL VALOR DE TENSIÓN PROMEDIO DE PRUEBA. .................................................. 25 
2.2 PRUEBA 2: COMPORTAMIENTO DE UN SOLO PARARRAYOS BAJO PRUEBA ................................................. 28 
2.3 PRUEBA 3: DESCARGA CON DOS PUNTAS CAPTADORAS BAJO PRUEBA SIMULATNEAMENTE ..................... 31 
2.4 ESQUEMA PRÁCTICO DE LAS PRUEBAS DE LABORATORIO ...........................................................................33 
2.5 CRITERIOS EN LA SIMULACION FISICA DE LA DESCARGA ATMOSFERICA ...................................................... 33 
CAPÍTULO 3 MODELADO Y SIMULACIÓN DE PARARRAYOS ............................................................................ 34 
3.1 CRITERIOS DE SIMULACIÓN .......................................................................................................................... 35 
3.2 SIMULACIÓN EN COMSOL ............................................................................................................................ 36 
3.3 PROCEDIMIENTO DE LA SIMULACIÓN .......................................................................................................... 36 
 
 
3.3.1 REALIZACION DEL DIBUJO EN AUTOCAD .............................................................................................. 36 
3.3.2 DESARROLLO DEL TRABAJO EN COMSOL ............................................................................................. 37 
3.4 DIAGRAMA DE FLUJO ................................................................................................................................... 41 
CAPÍTULO 4 ANÁLISIS DE RESULTADOS DE LAS SIMULACIONES ..................................................................... 43 
4.1 ANÁLISIS AL PARARRAYO TIPO TRIPOLAR .................................................................................................... 44 
4.2 ANÁLISIS AL PARARRAYO TIPO DIPOLO ........................................................................................................ 48 
4.3 ANÁLISIS AL PARARRAYO TIPO FARADAY ..................................................................................................... 52 
4.4 ANÁLISIS A DOS PARARRAYOS TIPO TRIPOLAR VS TIPO DIPOLO SIMULTANEAMENTE................................. 57 
4.5 ANÁLISIS A DOS PARARRAYOS TIPO DIPOLO VS TIPO FARADAY SIMULTANEAMENTE ................................. 62 
4.6 ANÁLISIS A DOS PARARRAYOS TIPO TRIPOLAR VS TIPO FARADAY SIMULTANEAMENTE .............................. 67 
CONCLUSIONES ............................................................................................................................................... 73 
5.1 CONCLUSIÓN ................................................................................................................................................ 74 
ANEXO A MODELO DE PROTECCIÓN .............................................................................................................. 75 
(NORMATIVO) ................................................................................................................................................ 75 
A.1 INTRODUCCIÓN (DESCRIPCIÓN DE LA FASE DE APROXIMACIÓN) ................................................................ 76 
A.1.1 DETERMINACIÓN DEL PUNTO DE IMPACTO ........................................................................................ 76 
A.1.2 VELOCIDAD DE PROPAGACIÓN DE LOS TRAZADORES ......................................................................... 77 
A.2 VENTAJA DE PROTECCIÓN CON UN PDC ...................................................................................................... 77 
A.2.1 AVANCE EN EL CEBADO ....................................................................................................................... 77 
A.2.2 GANANCIA EN LONGITUD DEL TRAZADOR ASCENDENTE .................................................................... 77 
A.3 MODELO DE PROTECCIÓN ........................................................................................................................... 77 
A.3.1 RADIO DE PROTECCIÓN DE UN PR ....................................................................................................... 77 
A.3.2 RADIO DE PROTECCIÓN DE UN PDC ..................................................................................................... 79 
ANEXO B ENSAYO DE EVALUACIÓN DE UN PDC ............................................................................................. 81 
(NORMATIVO) ................................................................................................................................................ 81 
B.1 INTRODUCCIÓN ........................................................................................................................................... 82 
B.1.1 CONDICIONES EXPERIMENTALES ......................................................................................................... 82 
B.1.2 SIMULACIÓN DEL CAMPO A NIVEL DEL SUELO .................................................................................... 82 
B.1.3 SIMULACIÓN DEL CAMPO IMPULSIONAL............................................................................................. 82 
B.2 MONTAJE EXPERIMENTAL ........................................................................................................................... 82 
B.2.1 POSICIONAMIENTO DE LOS PARARRAYOS A COMPARAR .................................................................... 82 
B.2.2 DIMENSIONAMIENTO DEL MONTAJE EXPERIMENTAL......................................................................... 82 
GLOSARIO DE TÉRMINOS ................................................................................................................................ 86 
REFERENCIAS .................................................................................................................................................. 89 
LISTA DE FIGURAS ........................................................................................................................................... 91 
LISTA DE TABLAS ............................................................................................................................................. 93 
 
I 
 
INTRODUCCIÓN 
 
En el presente trabajo se realiza una comparativa de diferentes formas de perfiles de 
pararrayos comerciales de tipo sin cebado, con la finalidad de evaluar el 
comportamiento en la capacidad de captación de descargas atmosféricas. 
 
El proyecto está direccionado mediante la aplicación del elemento finito basándose con 
estudios prácticos realizados en el laboratorio de alta tensión para poder comparar su 
eficacia de captación ante dichos fenómenos. 
 
Como parte de este proyecto se describen las técnicas de pruebas de laboratorio para 
este tipo de pararrayos y la adaptación de dichas pruebas a un programa de simulación 
de elemento finito para complementar el estudio práctico llevado anteriormente. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
II 
 
 
PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA. 
 
La implementación de pararrayos para la protección de instalaciones eléctricas, 
equipos eléctricos, edificios de gran altura, antenas de telecomunicaciones y personal 
que labora cerca de ellos, ante una descarga atmosférica es muy ambiguo, ya que no 
existe una norma internacional que avale las pruebas o el uso de algún pararrayo en 
particular, solo se han encontrado normas locales como la norma UNE-21186 o la NMX-
J549-ANCE-2005, por lo que en este trabajo se desarrollara un estudio comparativo a 
partir de estudios experimentales realizados en esta institución y se compararán con 
los resultados del modelado y simulación de diferentes tipos de perfiles de pararrayos 
por el método del elemento finito y se seleccionará el pararrayo que actúe mejor en la 
captación ante una descarga atmosférica. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
III 
 
 
JUSTIFICACIÓN 
 
Un sistema de pararrayos es aquel que blinda instalaciones eléctricas, equipos 
eléctricos, edificios de gran altura, antenas de telecomunicaciones y personal que 
labora cerca de ellos, por lo que es necesaria la realización de pruebas de laboratorio a 
este tipo de dispositivos para garantizar su eficacia y saber cuál puede ser la mejor 
elección para su implementación en la protección ante descargas atmosféricas.La necesidad de una herramienta adicional para complementar la selección y diseño 
de los pararrayos, es la simulación computacional mediante el modelado de los 
perfiles, en el cual se analizan los valores de los campos eléctricos en todo lo largo de 
la zona de captación del dispositivo para interpretar los resultados. 
 
Con la ayuda de este trabajo donde se emplea la simulación a pararrayos del tipo sin 
cebado y se comparan con resultados obtenidos en pruebas realizadas en el laboratorio 
de alta tensión en esta institución se seleccionará el perfil que sea mejor ante una 
descarga atmosférica. 
 
 
IV 
 
OBJETIVO 
 
Realizar un estudio comparativo de diferentes tipos de pararrayos aplicando la técnica 
del elemento finito para verificar la capacidad de captación de una descarga 
atmosférica para diferentes tipos de perfiles. 
 
 
 
OBJETIVOS ESPECÍFICOS 
 
• Analizar el comportamiento de los pararrayos sin cebado en la captación de 
descargas atmosféricas. 
• Realizar un estudio comparativo para diferentes tipos de pararrayos aplicando 
el elemento finito. 
• Interpretar los resultados obtenidos para seleccionar el perfil de mejor 
comportamiento en la captación de la descarga atmosférica. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
V 
 
 
ALCANCES 
 
En este trabajo se realiza un estudio comparativo de tres tipos de pararrayos a partir 
de resultados de pruebas de laboratorio por lo que los esquemas de las simulaciones se 
elaboran en 2D. 
 
LIMITACIONES 
 
En este trabajo no se enfoca a un diseño de un pararrayo ya que no se contempla la 
simulación en 3D y un análisis minucioso del comportamiento de los campos eléctrico. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
VI 
 
 
 
ANTECEDENTES 
 
Los modelos teóricos en las descargas atmosféricas ayudaron en los estudios de estos 
fenómenos con la ayuda de las herramientas informáticas mediante el modelado y la 
simulación donde es posible realizar estudios eléctricos. Los modelos que se tomaron 
en cuenta fueron: el modelo de Thum, modelo de Eriksson, modelo de Rizk y el modelo 
de Dellera-Garbanatti.[3] 
 
En el año 2000 se realizó un estudio en Argentina donde se implementó el modelado y 
simulación a un pararrayo, este fue llamado “Estudio de la protección contra las 
descargas atmosféricas. Modelización y simulación computacional de una descarga 
atmosférica. Aplicación a pararrayos pasivos y activos”. [3] 
 
Según la opinión del autor el punto clave en determinar el inicio del líder ascendente 
es el problema más complejo debido a su íntima relación con la física de las descargas 
de alta precisión. Esto llevo a que los modelos para la simulación utilizan diversos 
criterios de iniciación del líder ascendente y por ello se tomaron como criterio.[3] 
 
Para llevar a cabo esta simulación era necesario un software que sea abierto y 
programable para lograr las iteraciones deseadas. El programa utilizado fue 
denominado ANSYS/ED, el cual utiliza el método de los elementos infinitos para 
calcular campos magnéticos, eléctricos, tensiones estructurales, etc. El ANSYS/ED es 
una versión educativa y de entretenimiento que posee todas las capacidades y 
características que las versiones completas del programa. [3] 
 
 
 
93 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
CAPÍTULO 1 
 
MARCO TEÓRICO DE LA DESCARGA ATMOSFÉRICA 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
1 
CAPÍTULO 1. MARCO TEÓRICO DE LA DESCARGA ATMOSFÉRICA 
2 
 
CAPITULO 1. MARCO TEÓRICO DE LA DESCARGA ATMOSFÉRICA 
1.1 FORMACIÓN DEL RAYO 
 
La formación de los rayos tiene su lugar en las nubes de tormenta, donde se lleva a 
cabo un proceso en el cual las cargas juegan un papel importante. Con relación a ello, 
se han desarrollado varias teorías en donde se explica este fenómeno como son las 
siguientes: 
 
• Teoría de Simpson 
• Teoría de Elster y Geitel 
• Teoría de Wilson 
• Teoría de Schonland 
 
 
1.1.1 TEORÍA DE SIMPSON 
 
En la práctica, una teoría de amplia aceptación fundamentada a base de la 
experimentación en laboratorios. Estipula que, al alcanzar la corriente del aire la 
velocidad suficiente para desintegrar las gotas de lluvia, la corriente de aire transporta 
los iones negativos hacia la parte superior de la nube, donde se reúnen o combinan con 
las partículas de agua. Las gotas positivas que han sufrido un fraccionamiento también 
son llevadas hacia arriba por la acción del viento. Al cesar este a determinadas alturas, 
se unen entre ellas para formar gotas grandes y caer de nuevo. Al alcanzar la zona de 
vientos fuertes se desintegran de nueva cuenta, aumentando así la carga positiva como 
se muestra en la figura 1.1. [1] 
CAPÍTULO 1. MARCO TEÓRICO DE LA DESCARGA ATMOSFÉRICA 
3 
 
 
 
 
Figura 1.1 Teoría de Simpson. [1] 
 
De esta manera podemos observar que el efecto de la velocidad del viento genera lluvia 
electropositiva, tal carga es atraída al campo natural negativo de la tierra haciendo que 
el rayo se produzca. [1] 
1.1.2 TEORÍA DE ELSTER Y GEITEL 
 
También conocida como Teoría de la Influencia Eléctrica; describe que, en el momento 
que se encuentran en la nube gotas de diferentes tamaños. De entre dichas gotas, las 
más grandes se precipitan y las más pequeñas son llevadas por el viento hacia la parte 
de arriba de la nube. Gracias a la acción del campo eléctrico existente en la nube, las 
gotas son polarizadas, lo que consecuentemente lleva a la formación de cargas positivas 
en la parte inferior de la gota y carga negativa en la parte superior de la gota. El roce 
de una gota grande con una gota pequeña trae como resultado un intercambio de 
cargas. [1] 
 
 
CAPÍTULO 1. MARCO TEÓRICO DE LA DESCARGA ATMOSFÉRICA 
4 
 
Figura 1.2 Gota de lluvia según Elster y Geitel. [1] 
 
 
 
Como se puede ver en la figura anterior, es en la gota de lluvia donde las cargas son 
separadas. [1] 
 
 
1.1.3 TEORÍA DE WILSON 
 
Postulada por el físico escocés Charles Wilson, Premio Nobel de Física en 1927 gracias 
a su invención de la cámara de niebla, siendo además el primer científico en utilizar 
mediaciones de campo eléctrico para la estimación de la estructura de carga en nubes 
de tormenta. Conocida también como la ionización de la gota de lluvia -al igual que la 
teoría Elster-Geitel-, asume una influencia del campo eléctrico en la formación de la 
gota. Wilson reemplaza a la acción de la gota pequeña de la teoría anterior por la acción 
de los iones, simplificándose así el fenómeno de intercambio de cargas entre las gotas. 
[1] 
 
 
 
 
 
 
 
CAPÍTULO 1. MARCO TEÓRICO DE LA DESCARGA ATMOSFÉRICA 
5 
 
1.1.4 TEORÍA DE SCHONLAND 
 
Postulada a cargo del científico sudafricano Basil Schonland, establece que el ciclo de 
la nube y la consecuente descarga denominada rayo puede resumir brevemente de la 
siguiente manera (Figura 1.3): [1] 
 
a) Las cargas eléctricas en la nube se encuentran distribuidas en forma no 
homogénea, existiendo por consiguiente concentraciones desiguales de carga en 
el seno de esta. 
 
b) El gradiente eléctrico sobrepasa el valor crítico, comenzando a ocurrir pequeñas 
descargas en el seno de la nube. Estas en virtud de la ionización de choque van 
degenerando una especie de avalancha denominada descarga piloto (pilot 
streamer) lo cual avanza con una velocidad de 150 Km/seg. 
 
c) La rama de la descarga piloto orientada hacia la tierra, logra imponerse en su 
crecimiento, viéndose acompañada de pequeños puntos luminosos, 
característicos de las descargas escalonadas. 
 
d) El canal de recepción sale al encuentro de la descarga piloto, la cual trae consigo 
una gran cantidad de cargas negativas, formándose así un canal plasmático. 
Para neutralizar la carga en la nube, una gran cantidad de cargas eléctricas 
positivas abandonan entonces la tierra. 
CAPÍTULO 1. MARCO TEÓRICO DE LA DESCARGA ATMOSFÉRICA 
6 
 
Figura 1.3 Formación del canal plasmáticonube-tierra según Basil Schonland. A medida que 
avanza la descarga piloto las cargas (+) sobre la superficie terrestre se aglomeran, hasta que 
finalmente le salen al encuentro a las cargas (-), quedando así establecido el referido canal. [1] 
 
 
1.2 FÍSICA DE LAS DESCARGAS 
 
Se entiende como física de la descarga a las condiciones y parámetros bajo los cuales se 
manifiesta la descarga atmosférica (rayo) a través del medio (aire), propiciando la 
aparición de fenómenos eléctricos que intervienen en su formación como son: 
 
• Descarga Corona 
• Descarga Streamer 
• Descarga Escalonada 
• La Formación del Líder 
 
 
 
 
 
CAPÍTULO 1. MARCO TEÓRICO DE LA DESCARGA ATMOSFÉRICA 
7 
 
1.2.1 DESCARGA CORONA 
 
La descarga corona y su relación con el rompimiento del gas, depende del tipo de 
tensión aplicada en corriente directa (CD), corriente alterna (CA) o impulso y de la 
polaridad (positiva o negativa). Cuando se aplican tensiones de impulso de polaridad 
positiva en el electrodo, se detecta la primera ionización en forma de filamentos. [1] 
 
1.2.2 DESCARGA DE STREAMER 
 
Streamer: fenómeno eléctrico en el cual se presenta una pequeña ruptura dieléctrica en 
algún medio gaseoso, considerado como el crecimiento de un canal ionizado muy 
delgado, con intensidades de 10 a 100 mA [2], el cual sigue la trayectoria por una 
avalancha primaria formada a partir de los electrones semilla. [1] 
 
La carga espacial se concentra al frente de la avalancha en forma esférica, con la carga 
negativa al frente por su alta movilidad respecto a los iones positivos. El campo 
eléctrico aplicado aumenta de valor en el frente de la avalancha con líneas de campo 
desde el electrodo hasta el frente de la avalancha. Si el número de cargas aumenta el 
valor de 108, la carga especial llega a ser igual al campo aplicado e iniciar el proceso del 
Streamer. [1] 
 
1.2.3 DESCARGA ESCALONADA 
 
Catalogado como una descarga aérea que se origina por pasos, el Líder presenta 
múltiples ramificaciones, lo cual da la forma del rayo y durante su avance va dejando 
a su paso un canal ionizado con corrientes que fluctúan entre los 100 y 1000 A. [3] 
 
Previo a la descarga del rayo, se realiza la formación de un canal ionizado que conecta 
la nube con la tierra; este canal es producido por la intercepción de 2 líderes: el líder 
CAPÍTULO 1. MARCO TEÓRICO DE LA DESCARGA ATMOSFÉRICA 
8 
ascendente (L.A.) y el líder descendente (L.D.), este último, el primero en formarse y se 
encuentra formado negativamente, ya que procede de la parte negativa del dipolo 
dentro de la nube. (Figura 1.4). [3] 
 
 
Figura 1.4 Conformación esquemática de las primeras fases de las descargas ascendentes. [3] 
 
 
 
1.2.4 LA FORMACIÓN DEL LÍDER 
 
Para que ocurra esta formación del líder en el medio ambiente, es primordial el 
incremento de la temperatura del aire, compensando así el decremento de la 
conductividad producida por el proceso de electro adherencia (enlaces). Durante este 
proceso, las moléculas o iones electronegativos que se encuentran dentro de los gases 
circundantes, absorben electrones muy importantes a lo largo del mismo. Como 
consecuencia de esto, no es posible producir la ruptura dieléctrica del aire, dificultando 
que este se mantenga ionizado. [3] 
CAPÍTULO 1. MARCO TEÓRICO DE LA DESCARGA ATMOSFÉRICA 
9 
 
1.3 PARARRAYOS 
 
Los pararrayos son generalmente electrodos de acero cuya función principal es la 
concentración de electrones de pre descarga para su eventual descarga a tierra. Deben 
ser terminadas en punta y se instalan en los puntos más altos de las estructuras de 
subestaciones. La zona de protección que brinda un pararrayos se calcula a partir de la 
altura máxima obtenida entre una estructura y pararrayo. Se considera que el ángulo 
de protección medido con relación al eje del pararrayo no debe exceder en ningún caso 
a 30°. [4] 
 
Inventado originalmente por Benjamín Franklin, un pararrayos es muy simple: es una 
varilla metálica puntiaguda unida al techo de un edificio. La varilla puede tener una 
pulgada (2 cm) de diámetro. Se conecta a una gran pieza de cable de cobre o aluminio 
que también tiene aproximadamente una pulgada de diámetro. El cable está conectado 
a una rejilla conductora enterrada en el suelo cercano. [5] 
 
 
1.4 PARARRAYO TIPO FARADAY 
 
Este sistema es mejor conocido como “Jaula de Faraday”; se considera local, ya que 
únicamente garantizara la protección del inmueble mas no de otras construcciones 
menores o espacios abiertos que se encuentren en los alrededores del inmueble que es 
protegido (ver figura 1.5). [6] 
 
Este pararrayos tiene un grado alto de eficiencia; capaz de distribuir la corriente por 
toda la malla neutralizándola al conducirla por todas las puestas a tierra en caso de un 
impacto directo de un rayo. [6] 
 
CAPÍTULO 1. MARCO TEÓRICO DE LA DESCARGA ATMOSFÉRICA 
10 
• Funcionamiento en paralelo de las puntas con la malla y disipación directa al 
sistema de tierra. 
• Sólida conexión y contacto entre los diferentes puntos de unión de la malla. 
• Fiabilidad, inclusive en condiciones climáticas de rayos repetidas. 
• Seguridad de las puntas pasivas debido a la firme conexión de la malla a 
tierra. 
• Gran cantidad de bajantes a tierra que permite drenar de manera simultánea la 
descarga del rayo. 
 
 
 
Figura 1.5 Pararrayo tipo Faraday [6] 
1.5 PARARRAYO TIPO TRIPOLAR 
 
Este sistema de puntas múltiples, tiene la ventaja de dividir la corriente, la cual contiene 
el rayo, y generalmente aparece de forma momentánea, en una descarga continua y 
brusca, disipándose a un electrodo a tierra (ver figura 1.6). [7] 
 
Además, al contar con esta división de descarga, se puede evitar cualquier chispazo de 
corriente lateral a la construcción o inmueble que está protegido por este pararrayos. 
[7] 
CAPÍTULO 1. MARCO TEÓRICO DE LA DESCARGA ATMOSFÉRICA 
11 
 
Este sistema tiene un grado de protección alto, de un radio de 15 metros de protección 
y la división de la descarga se disipa el rayo de manera eficiente y sin peligro contra 
descargas atmosféricas. [7] 
• Seguridad de las puntas pasivas debido a la firme conexión de la malla a 
tierra. 
• Beneficio a los inmuebles gracias a las puntas múltiples. 
• Mejor manera de disipar un rayo. 
• Mayor rango de protección al inmueble y alrededores. 
• Fiabilidad, inclusive en condiciones climáticas de rayos repetidas. 
 
Figura 1.6 Pararrayo tipo Tripolar. [7] 
 
1.6 PARARRAYO TIPO DIPOLO 
 
Este sistema concentra el gradiente de potencial, que existe en la atmósfera por medio 
de una bobina excitadora, que se descarga continuamente circulante y en esta forma 
CAPÍTULO 1. MARCO TEÓRICO DE LA DESCARGA ATMOSFÉRICA 
12 
define la incidencia sobre la punta de la barra de la descarga, en el campo eléctrico 
entre ellos y los que se originen por radiación estática natural incrementando el canal 
original de ionización y por lo tanto el radio de protección del pararrayos (ver figura 
1.7). [8] 
 
• Los sistemas de pararrayos con características efecto corona CTS proporcionan 
mayor protección que los pararrayos terminados en punta. 
• Protección de impactos directos al área de cobertura, para las personas y 
estructuras. 
• El sistema está calculado para conducir la energía durante la formación del 
rayo desde la parte superior hasta la tierra física. 
• Resistencia máxima de 100 Ohms. 
• Corriente máxima de diseño de 30,000 Ampers. 
• El ángulo de protección es bastante alto, el radio de protección es 3 veces la 
altura de la instalación. 
 
 Figura 1.7 Pararrayo tipo Dipolo. [18] 
CAPÍTULO 1. MARCO TEÓRICO DE LA DESCARGA ATMOSFÉRICA 
13 
 
1.7 PARARRAYOS CON DIPOSITIVOS DE CEBADO 
 
El pararrayos con dispositivo de cebado es el más avanzado tecnológicamente se puede 
abreviar como PDC, están formados por un electrodo en forma de punta ya sea de acero 
o de algún material similar, quese incorpora a un sistema electrónico compuesto de 
diodos, bobinas, resistencias, condensadores y una resina aislante que protege a los 
componentes (ver figura 1.8). [9] 
 
La forma en que funciona este pararrayo, es por medio del sistema electrónico que 
contiene; este aprovecha el aumento del campo eléctrico entre la nube y la tierra, para 
auto alimentar dicho circuito, generando una excitación de electrones, llevando a cabo 
un adelanto, este adelanto es que ioniza el aire, conforme aumenta la diferencia de 
potencial en el campo eléctrico la saturación de cargas eléctrico-atmosféricas hacen que 
parezca la ionización natural o efecto corona, a todo este proceso se le denominan 
“tiempo de avance en el cebado”, teniendo como finalidad trazar un camino conductor 
que facilite aún más al descarga atmosférica (rayo) y drenándola a tierra.[9] 
 
Estos pararrayos tienen fundamento teórico en la norma como la UNE-21186 [17], pero 
no son acreditados por la norma mexicana “sistemas de protección contra tormentas 
eléctricas” la NMX-J-549-ANCE-2005[16]. [9] 
 
CAPÍTULO 1. MARCO TEÓRICO DE LA DESCARGA ATMOSFÉRICA 
14 
 
 
Figura 1.8 Pararrayo con dispositivo de cebado. [9] 
1.8 TIPO PIEZOELÉCTRICO 
 
El tipo piezoeléctrico cuenta con una punta captadora compuesta de un ánodo y un 
cátodo, además de dos cristales piezoeléctricos o transductores en la parte inferior de 
su mástil. Su funcionamiento consiste en aumentar el número de partículas ionizadas 
o electrones en el aire, creando en el campo eléctrico nube-tierra un canal de fuerte 
conductividad para el rayo (ver figura 1.9). [10] 
CAPÍTULO 1. MARCO TEÓRICO DE LA DESCARGA ATMOSFÉRICA 
15 
 
Figura 1.9 Pararrayo Piezoeléctrico. [10] 
 
1.9 TIPO ELECTRÓNICO 
 
Como se mencionó previamente, el dispositivo de cebado se compone por elementos 
electrónicos, los cuales no precisan de una fuente externa, esto debido a que, para 
activar su funcionamiento, toman la alimentación de las cargas eléctricas de la propia 
nube. El único inconveniente es: de no tenerse un buen blindaje cuando se produzca la 
descarga eléctrica atmosférica sobre este, el propio fenómeno terminará por deteriorar 
el equipo electrónico (ver figura 1.9). [11] 
 
CAPÍTULO 1. MARCO TEÓRICO DE LA DESCARGA ATMOSFÉRICA 
16 
 
Figura 1.10 Pararrayo tipo electrónico. [11] 
 
1.10 PDC PARARRAYO MECÁNICO 
 
Su dispositivo de cebado es forjado a través de las propias formas geométricas de su 
construcción de acero. La alimentación eléctrica proviene de las propias cargas eléctricas 
que generan las nubes (ver figura 1.10). [12] 
 
1.11 PARARRAYOS DESINONIZADORES DE CARGA ELECTROSTÁTICA 
(PDCE) 
 
Los Pararrayos Desionizadores de Carga Electrostática (PDCE), no tiene una fuente 
radioactiva y además cuentan con un sistema de transferencia de carga (CTS). Este 
pararrayos transfiere la carga electrostática antes de la formación del rayo evitando la 
ionización o efecto corona (ver figura1.10). [13] 
 
CAPÍTULO 1. MARCO TEÓRICO DE LA DESCARGA ATMOSFÉRICA 
17 
Está construido por un condensador que está dentro del cabezal del pararrayos, este 
cabezal está soportado por un pequeño mástil de acero inoxidable. El sistema del PDCE 
está conectado en serie a su propia toma de tierra la cual transfiere la carga 
electroestática a tierra evitando la excitación e impacto directo del rayo, su función es 
disipar la descarga en microsegundos, evitando la ionización a un metro de distancia 
sin producir descarga del rayo ni cortocircuito. [13] 
 
1.12 PARARRAYOS STREAM 
 
El Pararrayos Stream contiene un dispositivo de cebado de última generación, que 
reduce el tiempo de cebado, cuando esta reducción de cebado se obtiene un aumento en 
la velocidad y efectividad en la captura de la descarga eléctrica atmosférica, por 
consecuencia su radio de protección se amplía. [14] 
 
Su funcionamiento es activado cuando una tormenta eléctrica aumenta la intensidad del 
campo eléctrico que se forma entre nube-tierra, cuando esto suceda actúa el pararrayos 
stream acumulando la carga que se produce antes de la descarga atmosférica, esta 
energía se libera en forma de impulsos de alta tensión que ioniza el aire que se encuentra 
alrededor del pararrayos, de esta manera se crea un trazador que dirige la descarga 
hacia el pararrayos. [14] 
 
Este dispositivo de cebado, es uno de los más eficientes que se encuentra hoy en día, ya 
que como se ha explicado el dispositivo de cebado produce descargas que ionizan el 
aire para la captura de la descarga, pero a diferencia de los demás dispositivos, éste solo 
actúa en la presencia de una descarga atmosférica y no hace descargas en falso, en 
resumen, actúa solo cuando el impacto de la descarga es directo. [14] 
 
 
 
 
 
CAPÍTULO 1. MARCO TEÓRICO DE LA DESCARGA ATMOSFÉRICA 
18 
 
1.13 MODELO DE THUM 
 
En este trabajo, apareció en su tesis de doctorado en la universidad de Malasia, el autor 
construye una descripción en detalle del proceso de inicio de la avalancha haciendo 
hincapié en la física de la descarga. Esencialmente consta de 3 centros de carga. [3] 
 
 
Figura 1.11 Modelización de la estructura de cargas de la nube según Thum. [3] 
 
A través del método de simulación de carga, se calcula el lugar donde se produce el 
campo crítico 𝐸𝑐 para saber la longitud de la avalancha inicial a partir de la punta de 
una estructura cónica. Se determina un radio en donde se supone están concentradas 
las cargas eléctricas. Luego se hace avanzar ambos líderes iterativamente en función de 
los campos eléctricos. Ambos líderes se consideran linealmente cargados y el proceso 
de ambos es vertical, sin tener en cuenta que el avance de un rayo es en realidad 
curvado, excepto en el caso en donde el rayo cae desde la vertical del pararrayo o 
estructura. Además de la condición de formación del “streamer” ascendente (campo 
critico), considera también que para la propagación del líder ascendente sea estable, y 
que para finalmente haya un encuentro exitoso entre ambos líderes, debe existir un 
campo mínimo promedio a lo largo de todo el salto y que la velocidad de crecimiento 
del campo eléctrico debe mantenerse constante en el espacio en donde se está 
CAPÍTULO 1. MARCO TEÓRICO DE LA DESCARGA ATMOSFÉRICA 
19 
desarrollando el “streamer” ascendente, hasta que todo el salto sea cruzando por los 
líderes. [3] 
 
 
1.14 MODELO DE ERIKSSON 
 
Considera un canal vertical descendiendo a través de 3 km desde la nube de tormenta, 
sin considerar la velocidad de descenso, hasta que es alcanzada la distancia de impacto. 
En cuanto a la distribución de cargas asumida a lo largo del canal, Eriksson considera 
una densidad de carga que se incrementa linealmente desde la nube hasta la punta 
(líder), en donde esa densidad es máxima. [3] 
 
El campo critico a partir del cual comienza el “streamer” ascendente, se estima de 30 
Kv/cm en la superficie de la punta del objeto considerado. Este valor se considera 
constante si el radio de la punta del objeto (podemos asimilarlo a un tipo de pararrayos) 
es menor a 35 cm (concepto de radio critico que también utiliza el modelo de Dellera-
Garbagnmatti). [3] 
 
En cuanto a la dirección que toman ambos líderes, este modelo se supone al 
descendente siguiendo una trayectoria vertical sin desviaciones, mientras que el 
ascendente se dirige primero. Si ambos se encuentran, se considera que el rayo impacta 
la estructura; si no es así, el líder negativo desciende hasta el suelo sin impactar. [3] 
 
 
CAPÍTULO 1. MARCO TEÓRICO DE LA DESCARGA ATMOSFÉRICA 
20 
 
Figura 1.12 Esquema que utiliza el modelo de Eriksson. [3] 
 
A través del modelo se puede calcular tanto la curva que une todos los puntos desde 
donde se mide la distancia de impacto, como el lugar geométrico que determina el 
radio de atracción para muchos valores de corriente de cresta. Este radio de atracción 
se mide a partir del punto de encuentrode ambos líderes y es otra magnitud útil de 
sistemas de protección contra el rayo. [3] 
 
 
1.15 MODELO DE RIZK 
 
En este caso se utilizan algunos criterios interesantes y cálculos electrostáticos para 
trabajar directamente con potenciales en logar de los campos eléctricos. En esencia, 
Rizk deduce, para el caso de una asta conductora elevada verticalmente sobre el suelo, 
un potencial de inicio del líder positivo 𝑈𝐼𝐶 [kV] con la siguiente dependencia: 
 
𝑈𝐼𝐶 = 𝑓(ℎ) 
 
en donde h es la altura de la asta conductora sobre el suelo. [3] 
 
CAPÍTULO 1. MARCO TEÓRICO DE LA DESCARGA ATMOSFÉRICA 
21 
Luego se debe calcular el potencial inducido sobre la punta de la varilla, 𝑈𝐼, suponiendo 
cierta distribución de carga en el canal descendente negativo (lineal) y una altura de la 
nube de 2.5 km, aunque aquí, el autor ha despreciado el efecto de la carga sobre la nube 
sobre el valor 𝑈𝐼. [3] 
 
En lo que respecta a las trayectorias de ambos líderes, el autor toma al líder descendente 
con un movimiento vertical sin desviaciones al descendente, moviéndose según lo 
explica en su trabajo. Rizk asume que el inicio del líder ascendente, a partir de la asta 
se produce cuando: 
 
𝑈𝐼 = 𝑈𝐼𝐶 
 
 
La relación de velocidad entre ambos lideres 𝑉−/𝑉+ la toma unitaria. 
 
Es importante destacar que el autor impone la condición que para que se produzca un 
encuentro exitoso se debe cumplir que la simple relación de campo eléctrico promedio: 
 
∆𝑉
𝑑
> 5 [
𝑘𝑉
𝑐𝑚
] 
 
En donde ∆𝑉 será la ddp entre ambos líderes, y d la distancia que los separa en cada 
instante. En la figura 1.13 se muestra el esquema usado por Rizk para definir la 
distancia de impacto. Se ve aquí esta distancia esta reducida con respecto a la forma 
usual ya que 𝑑𝑠 no es la distancia entre la punta del conductor y la punta del líder 
descendente cuando en el conductor se llega al campo crítico, si no cuando se produce 
el encuentro crítico, teniendo en cuenta la condición antes citada. [3] 
 
CAPÍTULO 1. MARCO TEÓRICO DE LA DESCARGA ATMOSFÉRICA 
22 
De todas maneras, el autor calcula otra magnitud, llamada radio de atracción 𝑅𝑎, que 
es la máxima distancia lateral a la que el líder descendente baja sin encontrarse con el 
líder ascendente, es decir, sin que se produzca el impacto. 
 
Notemos aquí el esquema un poco rígido de la dinámica del modelo empleado por 
Rizk, debido a considerar que el líder descendente no cambia de dirección en su 
descenso, es decir, baja recto por la vertical (iguales limitaciones tienen los modelos de 
Thum y Eriksson antes descritos). [3] 
 
 
 
 
Figura 1.13 Esquema en que se basa el modelo de Rizk. [3] 
 
1.16 MODELO DE DELLERA-GARBAGANATTI 
 
Este modelo marca una línea divisora entre los modelos de descenso vertical este y los 
modelos de descenso flexible, con respecto a la modelización y simulación de la caída 
de un rayo. Este modelo fundamenta la forma en que se desarrolla el proceso de la 
descarga atmosférica, a grandes escalas, es similar a las descargas en grandes saltos 
utilizados en el laboratorio de alta tensión. [3] 
 
CAPÍTULO 1. MARCO TEÓRICO DE LA DESCARGA ATMOSFÉRICA 
23 
 
 
 
 
Figura 1.14 Esquema que ejemplifica el modelo de Dellera-Garbagnatti. [3] 
 
 
 
 
 
 
93 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
CAPÍTULO 2 
 
TIPOS DE PRUEBAS FÍSICAS A PARARRAYOS EN EL 
LABORATORIO 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
24 
CAPÍTULO 2. TIPOS DE PRUEBAS FISICAS A PARARRAYOS EN EL LABORATORIO 
25 
 
CAPÍTULO 2. TIPOS DE PRUEBAS FISICAS A PARARRAYOS EN EL 
LABORATORIO 
2.1 PRUEBA 1: OBTENCIÓN DEL VALOR DE TENSIÓN PROMEDIO DE 
PRUEBA. 
 
Durante esta prueba se busca cumplir con los siguientes objetivos: 
 
• Efectuar por lo menos 5 descargas entre la placa superior y cada pararrayos. 
• Anotar los datos obtenidos de cada descarga que se realice. 
• Analizar los niveles de tensión mínimos con los que se desencadena la descarga. 
• Obtener un valor de tensión nominal para las siguientes pruebas. 
Es importante mencionar que las distancias dentro del esquema de trabajo (ver figura 
2.1), son las siguientes: [15] 
 
H=2.17 m (Altura correspondiente entre la placa inferior y la placa superior) 
h=1.72 m (Altura correspondiente al pararrayos) 
d=0.45 m (Distancia entre la punta del pararrayos y la placa superior) 
 
 
Figura 2.1. Distribución de los elementos necesarios para la simulación de la nube, el rayo y el 
pararrayos. [9] 
CAPÍTULO 2. TIPOS DE PRUEBAS FISICAS A PARARRAYOS EN EL LABORATORIO 
26 
En la tabla 2.1 se puede observar los valores de tensión y los tiempos de operación 
obtenidos durante la prueba 1 que se obtuvieron por medio de los resultados del 
osciloscopio de cada perfil. [15] 
 
 
Tabla 2.1 Valores obtenidos en las pruebas de laboratorio. 
Valores constantes H y h y tensión variable. [15] 
 
Prueba Tipo de perfil Tensión [kV] Tiempo de operación [µs] 
1 
 
Faraday 
203.53 Referencia 
2 209.70 9.40 
3 218.95 11.20 
4 212.78 9.80 
5 215.86 13.40 
Promedio 212.16 10.95 
 
1 
 
Dipolo 
209.70 Referencia 
2 215.86 13.40 
3 212.78 14.80 
4 203.53 10.20 
5 212.78 13.80 
Promedio 212.27 13.20 
 
1 
 
Tripolar 
206.61 Referencia 
2 212.78 13.20 
3 209.70 13.60 
4 212.78 14.80 
5 206.61 14.00 
Promedio 209.70 13.90 
 
 
Al concluir las descargas en cada uno de los pararrayos que utilizamos en las 
simulaciones, se realizó un promedio de las tensiones, obteniendo una tensión de 
referencia. (ver tabla 2.1). 
 
 
 
 
 
 
 
CAPÍTULO 2. TIPOS DE PRUEBAS FISICAS A PARARRAYOS EN EL LABORATORIO 
27 
 
 
Tabla 2.2 Tensión de ruptura promedio de los pararrayos [15] 
 
Tipo de Pararrayos Promedio 
Dipolo 212.27 kV 
Tripolar 209.70 kV 
Faraday 212.6 kV 
 
 
 
Con los promedios de tensión individual de cada punta, se obtiene un promedio 
general de la siguiente forma: 
 
𝑃𝑟𝑜𝑚𝑒𝑑𝑖𝑜 =
212.27 𝑘𝑉 + 209.70 𝑘𝑉 + 212.6𝑘𝑉
3
= 211.52 𝑘𝑉 
 
 
El valor de tensión promedio general debe dividirse entre 8, que corresponde a cada 
una de las etapas con las que cuenta el generador de impulsos de Marx. 
 
211.52 𝑘𝑉
8
= 26.440 𝑘𝑉 
 
 
Por lo tanto, la tensión base del generador de impulsos de Marx para las pruebas 
subsecuentes oscilara alrededor de 26.440 kV por etapa. [15] 
 
 
 
 
 
CAPÍTULO 2. TIPOS DE PRUEBAS FISICAS A PARARRAYOS EN EL LABORATORIO 
28 
 
2.2 PRUEBA 2: COMPORTAMIENTO DE UN SOLO PARARRAYOS BAJO 
PRUEBA 
 
Como objetivo de esta prueba, se busca analizar el comportamiento de cada pararrayos 
al efecto de la descarga eléctrica sobre cada uno de ellos, procurando que se cumpla: 
[15] 
• Mantener las distancias constantes: 
H= 2.17 m 
h= 1.72 m 
d= 0.45 m 
 
• Realizar por lo menos 4 disparos por punta. 
• Obtener en cada uno de los pararrayos los siguientes valores: 
• Tiempo de corte: lapso en el que se acumula la energía suficiente hasta generar la 
ruptura dieléctrica del aire. 
• Tiempo de descarga: lapso en que el pararrayos drena la energía a tierra 
 
 
Es preciso mencionar que se trabajó con el mismo esquema (ver figura2.1), en la tabla 
2.3 se observan los valores obtenidos durante la prueba 2. [15] 
 
 
 
Tabla 2.3 Valores de tensión, tiempo de corte, tiempo de descarga y tiempo total de operación 
para la prueba 2.[15] 
 
 
Prueba 
 
Tipo de perfil 
Tensión 
[kV] 
Tiempo de 
corte [µs] 
Tiempo de 
descarga 
[µs] 
Tiempo total 
de operación 
[µs] 
Referencia 209.70 
1 
Faraday 
212.65 4.66 3.78 8.44 
2 209.57 5.22 5.38 10.60 
3 206.49 4.14 6.69 11.10 
CAPÍTULO 2. TIPOS DE PRUEBAS FISICAS A PARARRAYOS EN EL LABORATORIO 
29 
4 209.57 6.30 5.30 11.60 
Promedio 209.57 5.08 5.35 10.43 
 
1 
Dipolo 
212.65 2.92 5.94 8.86 
2 212.65 4.12 5.36 9.48 
3 212.65 2.10 6.20 8.30 
4 212.65 4.44 3.92 8.36 
Promedio 212.65 3.39 5.35 8.75 
 
1 
Tripolar 
212.65 4.30 3.38 7.682 203.41 6.58 3.18 9.76 
3 203.41 4.66 4.66 9.32 
4 209.57 5.16 8.14 13.30 
Promedio 207.26 5.17 4.84 10.01 
 
 
Con los valores obtenidos se realiza una comparativa de los tiempos de corte y de 
descarga por cada punta con el objetivo de verificar la variabilidad de cada perfil. A 
continuación, se presenta la gráfica de perteneciente a cada uno de los pararrayos, 
mostrando los tiempos de corte obtenidos en los cuatros disparos efectuados durante 
la prueba. [15] 
 
 
 
 
Figura 2.2 Tiempos de corte de los perfiles a prueba. [15] 
0
1
2
3
4
5
6
7
Faraday Tripolar Dipolo
Descarga 1 4.66 4.3 2.92
Descarga 2 5.22 6.58 4.12
Descarga 3 4.14 4.66 2.1
Descarga 4 6.3 5.16 4.44
Ti
e
m
p
o
 e
n
 [
µ
s]
Tiempos de corte por perfil
CAPÍTULO 2. TIPOS DE PRUEBAS FISICAS A PARARRAYOS EN EL LABORATORIO 
30 
 
En las siguientes figuras se observan la comparación de los tiempos de descarga por 
perfil (ver figura 2.3) que se obtuvieron de la misma prueba y se puede apreciar como 
existe variación en al aplicar cada una de las descargas en esta prueba. 
 
Figura 2.3 Tiempos de descarga de los perfiles a prueba. [15] 
 
En la figura 2.4 se observa una gráfica del tiempo de operación promedio que se 
realizado de la misma prueba a los pararrayos que se utilizaron. 
 
 
Figura 2.4 Tiempos promedio de operación de los perfiles a prueba [15] 
 
 
 
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
Faraday Tripolar Dipolo
Descarga 1 3.78 3.38 5.94
Descarga 2 5.38 3.18 5.36
Descarga 3 6.96 4.66 6.2
Descarga 4 5.3 8.14 3.92
Ti
em
p
o
 e
n
 [
µ
s]
Tiempos de descarga por perfil
0
1
2
3
4
5
6
Faraday Tripolar Dipolo
t prom de corte 5.8 5.175 3.395
t prom de descarga 5.33 4.84 5.355
Tiempos promedios de operación de los 
pararrayos
CAPÍTULO 2. TIPOS DE PRUEBAS FISICAS A PARARRAYOS EN EL LABORATORIO 
31 
Por medio de las gráficas de los tiempos de corte es posible observar que los pararrayos 
tipo comercial, contienen tiempos cortos principalmente el perfil tipo Dipolo, ya que 
presenta tiempos de hasta 2.1 µs. Posteriormente mediante las gráficas donde se 
muestran los tiempos de descarga de cada pararrayo, es posible notar que en todos los 
casos se mantuvieron tiempos inestables. [15] 
 
Teniendo en mente las comparativas de los tiempos involucrados en estas pruebas, se 
puede deducir que los pararrayos comerciales, presentan tiempos cortos de operación 
y una buena estabilidad a lo largo de todo el proceso de la descarga. [15] 
 
2.3 PRUEBA 3: DESCARGA CON DOS PUNTAS CAPTADORAS BAJO 
PRUEBA SIMULTANEAMENTE 
 
 
Se busca utilizar 2 pararrayos simultáneamente realizando por lo menos 20 disparos 
efectivos por par de puntas, es decir, que exista la descarga eléctrica entre placa 
superior y cualquiera de los pararrayos. Con el objetivo de analizar su contabilidad 
bajo el mismo fenómeno a una distancia de 1m entre ambas terminales, coincidiendo 
la distancia media entre las puntas con el centro de la placa superior. [15] 
 
 
Figura 2.5 Distribución de los elementos en el laboratorio para las pruebas de comparativa 
entre puntas. [15] 
CAPÍTULO 2. TIPOS DE PRUEBAS FISICAS A PARARRAYOS EN EL LABORATORIO 
32 
En la siguiente tabla 2.4 se puede observar el número de descargas en cada pararrayo 
ante las diferentes pruebas realizadas, al igual que el porcentaje correspondiente al 
número de capturas. 
 
 
Tabla 2.4 Número de capturas y promedio por descargas. [15] 
Pararrayos a 
prueba 
Descargas 
captadas 
Tensión [kV] Probabilidad de 
captura [%] 
Tripolar 
VS 
Faraday 
12 206.10 60 
8 208.15 40 
Tripolar 
VS 
Dipolo 
12 211.45 60 
8 208.93 40 
Faraday 
VS 
Dipolo 
12 204.04 60 
8 204.56 40 
 
Se toma en cuenta que el número de disparos que se realizaron fueron 60 en total, 
podemos sumar el número de captaciones que tuvo cada punta, para saber su 
porcentaje de captación como se observa en siguiente tabla 2.5. 
 
 
Tabla 2.5 Disparos captados por los pararrayos [15] 
Tipo de pararrayo Cantidad de disparos Porcentaje de captación 
Tripolar 24 40.00% 
Faraday 20 33.33% 
Dipolo 16 26.66% 
Totales 60 100% 
 
Con los resultados arrojados de las distintas pruebas que se realizaron en el laboratorio 
de alta tensión, en las cuales se observan los tiempos de operación y la probabilidad de 
la incidencia de una descarga es posible tener un panorama amplio del 
comportamiento de los pararrayos puestos a pruebas. [15] 
CAPÍTULO 2. TIPOS DE PRUEBAS FISICAS A PARARRAYOS EN EL LABORATORIO 
33 
Entonces se tienen estos datos probabilísticos de que se origine la descarga en cada uno 
de los pararrayos, en el cual se da a notar de la punta tipo Tripolar sobre las demás con 
una probabilidad de 40% de que se origine la descarga. [15] 
 
2.4 ESQUEMA PRÁCTICO DE LAS PRUEBAS DE LABORATORIO 
 
Para realizar las pruebas es necesario contar con un laboratorio que se puede adecuar 
con los instrumentos y equipos adecuados, se debe utilizar una placa que se simule una 
nube, dicha placa se coloca a 2 metros y a su vez alimentado (eléctricamente hablando) 
por medio del generador de MARX. [15] 
 
 
 
Figura 2. Montaje del equipo y material empleado para realizar las pruebas. [15] 
 
2.5 CRITERIOS EN LA SIMULACION FISICA DE LA DESCARGA 
ATMOSFERICA 
 
Para poder presentar la forma del impulso del rayo, se emplea el generador de 
impulsos de Marx, con la forma estándar de 1.2/50 (1.2 µs de frente virtual y 50 µs de 
tiempo de cola al valor medio) y con una tensión de 52 kV por etapa. [15] 
 
 
 
 
93 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
CAPÍTULO 3 
 
MODELADO Y SIMULACIÓN DE PARARRAYOS 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
34 
CAPÍTULO 3. MODELADO Y SIMULACION DE PARARRAYOS 
35 
 
CAPÍTULO 3. MODELADO Y SIMULACION DE PARARRAYOS 
3.1 CRITERIOS DE SIMULACIÓN 
 
 
Mediante la información obtenida de las pruebas a pararrayos que se realizaron en el 
laboratorio de alta tensión, así como los instrumentos de los cuales se utilizan en el 
programa para la simulación, se describe lo siguiente: 
 
 
1. Pararrayos de tipo comercial para la realización de las simulaciones son los siguientes: 
 
• Punta Tipo Faraday 
• Punta Tipo Tripolar 
• Punta Tipo Dipolo 
 
2. Materiales de los pararrayos: 
• Tipo Faraday; Acero 
• Tipo Tripolar; Acero 
• Tipo Dipolo: Acero y polietileno 
 
3. Permitividad de los materiales: 
• Acero: 1 
• Aire: 1 
• Polietileno: 2.5 
 
 
 
 
 
 
 
 
CAPÍTULO 3. MODELADO Y SIMULACION DE PARARRAYOS 
36 
 
3.2 SIMULACIÓN EN COMSOL 
 
Comsol se apoya con otros softwares para introducir la geometría a estudiar. Es posible 
realizar esta geometría en el mismo Comsol pero existen softwares con interfaces más 
amigables como es el caso del AutoCAD®. En este proyecto, se simula el pararrayos a 
través de AutoCAD. Posteriormente, se importa la geometría a Comsol, analizándose 
por último los campos eléctricos resultantes. 
 
 
Figura 3.1 Programa “COMSOL” 
 
3.3 PROCEDIMIENTO DE LA SIMULACIÓN 
 
 
3.3.1 REALIZACION DEL DIBUJO EN AUTOCAD 
 
Primeramente, se apoya de un software donde se realiza el dibujo “AutoCAD”, 
la escala que se toma es 1:1, cuando se termina de hacerlo es necesario encerrar el 
dibujo con el que se trabajara en un círculo de mayor tamaño (ver figura 3.2). 
 
 
 
 
 
 
CAPÍTULO 3. MODELADO Y SIMULACION DE PARARRAYOS 
37 
 
 
Figura 3.2 Dibujo en AutoCAD 
 
 
3.3.2 DESARROLLO DEL TRABAJO EN COMSOL 
 
En seguida se aguarda el dibujo en un archivo “.dxf” en la versión AutoCAD 2013, para 
que en el programa COMSOL se pueda trabajar. Una vez realizado los dos pasos 
anteriores se procede a abrir el programa COMSOL, se elige la dimensión a trabajar 
“2D” (ver figura 3.3). 
 
 
 
Figura 3.3 Selección de dimensión. 
 
 
CAPÍTULO 3. MODELADO Y SIMULACION DE PARARRAYOS 
38 
Después se elige con que características se trabajará y se le la click en “electrostatic” y 
se podrá comenzar a trabajar con los pasos siguientespara poder realizar este estudio 
de campo eléctrico (ver figura 3.4). 
 
 
 
 
Figura 3.4 Recuadro de características. 
 
 
 
Una vez que se realicen los anteriores pasos lo siguiente es cargar el dibujo realizado 
en “AutoCAD”, aparecerá la imagen del lado derecho como en la siguiente imagen y 
del lado izquierdo las herramientas que se le podrán agregar al dibujo (ver figura 3.5). 
 
 
Figura 3.5 Inicio para empezar a trabajar. 
CAPÍTULO 3. MODELADO Y SIMULACION DE PARARRAYOS 
39 
Enseguida se pasa a elegir los tipos de materiales que corresponden a cada una de las 
partes del dibujo, cuando se coloca el tipo de material el mismo programa de arrojar 
otro recuadro donde se coloca la permitividad del material (ver figura 3.6). 
 
 
 
 
Figura 3.6 Selección de tipo de materiales. 
 
 
Posteriormente se selecciona que parte del dibujo será el que tenga el potencial eléctrico 
en este caso se trabajará con la barra superior que simula la nube, así como las demás 
partes de la imagen quien será la tierra que corresponde al perfil y la barra inferior que 
se encuentra junta al pararrayo y al aire el cual es todo el espacio donde se encuentra 
encerrado el dibujo completo (ver figura 3.7). 
 
 
 
 
 
 
CAPÍTULO 3. MODELADO Y SIMULACION DE PARARRAYOS 
40 
 
 
Figura 3.7 Definir el nivel de potencial eléctrico. 
 
Cuando se realizan los pasos anteriores se procede a obtención de los resultados del 
estudio a realizar dando click en resultados y podrá obtener las gráficas que 
necesitemos ya sean lineales o de campo eléctrico, en la barra de la derecha se observan 
las gráficas que podemos obtener de este programa en el es posible trabajar (ver figura 
3.7). 
 
 
Figura 3.8 Obtención de graficas de resultados. 
 
 
 
 
 
CAPÍTULO 3. MODELADO Y SIMULACION DE PARARRAYOS 
41 
 
3.4 DIAGRAMA DE FLUJO 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Inicio 
COMSOL 
Transferir dibujo a 
plataforma COMSOL 
Selección de 
Pararrayos 
Dibujo de Pararrayos en 
AutoCAD 
Definición De 
materiales 
Materiales: 
• Aire 
• Acero 
• Polietileno 
(plástico) 
1 
CAPÍTULO 3. MODELADO Y SIMULACION DE PARARRAYOS 
42 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 3.9. Diagrama de Flujo 
 
El diagrama de flujo (ver Figura 3.9) se aprecian los pasos de la manera en que se desarrolla el 
trabajo del capítulo número 4 en donde primeramente se realiza el modelado de un pararrayo, 
después se carga a la plataforma COMSOL para seguir con la selección de materiales de cada 
una de las partes del dibujo, después colocar el nivel de tensión así mismo como la tierra y por 
último la obtención de resultados.
1 
Selección de la tensión 
obtenida conforme a 
pruebas de laboratorio 
Análisis de 
Resultados 
Resultados: 
• Graficas de Potencial 
eléctrico. 
• Graficas de campo 
eléctrico. 
• Grafica lineal de 
campo eléctrico. 
• Distribución de 
campo eléctrico. 
Simulación de Pruebas a pararrayos 
usando la plataforma COMSOL. 
 
93 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
CAPÍTULO 4 
 
ANÁLISIS DE RESULTADOS DE LAS SIMULACIONES 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
43 
CAPÍTULO 4. ANÁLISIS DE RESULTADOS DE LAS SIMULACIONES 
44 
 
CAPÍTULO 4. ANÁLISIS DE RESULTADOS DE LAS SIMULACIONES 
4.1 ANÁLISIS AL PARARRAYO TIPO TRIPOLAR 
 
Para la realización de las simulaciones se consideraron los valores obtenidos a partir 
de pruebas elaboradas laboratorio de alta tensión, así como también el 
dimensionamiento del dibujo que llevan las medidas como se mencionan en la tesis. 
 
En la figura 4.2 se muestra la geometría del pararrayo tipo Tripolar con sus respectivas 
medidas en donde la placa superior simula la nube de la descarga atmosférica, la placa 
inferior simula que el pararrayo se encuentra aterrizado. 
 
 
 
 
Figura 4.2. Geometría del pararrayo tipo Tripolar. 
 
En la figura 4.3 se observa la gráfica de potencial eléctrico que simula la descarga 
atmosferica de -209.7 kV, este valor se tomo de la prueba obtencion de valor promedio 
de tensión, en donde el mayor potencial eléctrico se encuentra en la placa superior y se 
disipa en la placa inferior donde se encuentra el pararrayo. 
CAPÍTULO 4. ANÁLISIS DE RESULTADOS DE LAS SIMULACIONES 
45 
 
Figura 4.3 Potencial eléctrico al pararrayo tipo Tripolar. 
 
En la figura 4.4 se muestra el campo eléctrico que se genera en la descarga atmosférica, 
se puede observar que el campo eléctrico está en la punta principal del pararrayo y en 
las otras dos puntas del mismo. En las placas también se refleja el campo eléctrico. 
 
 
 
Figura 4.4 Campo eléctrico al pararrayos tipo Tripolar. 
 
CAPÍTULO 4. ANÁLISIS DE RESULTADOS DE LAS SIMULACIONES 
46 
En la figura 4.5 se observa con mejor detalle el campo eléctrico generado en las puntas 
del pararrayo con un nivel de campo eléctrico de 45.777 kV/m en la punta principal, 
así como un valor de campo eléctrico aproximado de 26.753 kV/m en las puntas 
externas. 
 
 
 
Figura 4.5 Campo eléctrico en las puntas del pararrayo tipo Tripolar 
 
En la figura 4.6 se observa las líneas de campo eléctrico en las puntas del pararrayo. 
 
Figura 4.6 Líneas de campo eléctrico del pararrayo tipo Tripolar. 
 
CAPÍTULO 4. ANÁLISIS DE RESULTADOS DE LAS SIMULACIONES 
47 
En la Figura 4.7 se observa la curva de campo eléctrico que se mide de la placa superior 
a la punta principal del pararrayo, en donde el mayor valor de campo eléctrico se 
encuentra en la punta principal del pararrayo, donde comienza a disiparse hasta la 
placa inferior donde llega a cero. 
 
 
 
Figura 4.7 Grafica de campo eléctrico medido de la punta principal del pararrayo Tripolar. 
 
 
 
 
En la siguiente tabla 4.1 se observa los valores de campo eléctrico en la punta principal 
y las puntas externas del pararrayo tipo Tripolar. 
 
Tabla 4.1 Campo eléctrico en el perfil del pararrayo Tripolar. 
 
Campo eléctrico 
kV/m 
Perfil del 
pararrayo 
45.777 Punta principal 
26.753 Puntas externas 
 
 
 
 
 
 
CAPÍTULO 4. ANÁLISIS DE RESULTADOS DE LAS SIMULACIONES 
48 
 
4.2 ANÁLISIS AL PARARRAYO TIPO DIPOLO 
 
En la figura 4.8 se observa la geometría de la simulación al pararrayo tipo Dipolo, 
donde la placa superior simula la nube y la placa inferior simula que el pararrayo esta 
aterrizado. 
 
 
 
 
Figura 4.8 Geometría del pararrayo tipo Dipolo. 
 
 
 
 
 
En la figura 4.9 se observa la gráfica del potencial eléctrico que simula la descarga 
atmosferica de -212.27 kV donde el mayor potencial electrico se encuentra en la placa 
superior y se va disipando en la placa inferior empezando por el pararrayo. 
CAPÍTULO 4. ANÁLISIS DE RESULTADOS DE LAS SIMULACIONES 
49 
 
Figura 4.9 Potencial eléctrico al pararrayo tipo Dipolo. 
 
En la figura 4.10 se observa el campo eléctrico que se genera mediante la descarga 
atmosferica, donde el mayor campo eléctrico se genera en la punta principal, despues 
en la parte de en medio con forma de anillo entre la punta principal y las argollas. 
 
 
Figura 4.10 Campo eléctrico al pararrayo tipo Dipolo. 
CAPÍTULO 4. ANÁLISIS DE RESULTADOS DE LAS SIMULACIONES 
50 
La figura 4.11 se observa con mejor detalle como el mayor campo eléctrico se concentra 
en la punta principal con un valor de 39.703 kV/m, después en parte de en medio es 
una forma de argolla con un valor de 10.233 kV/m aproximadamente y al final el 
campo eléctrico en los anillos con un valor de 5.321 kV/m. 
 
 
Figura 4.11 Campo eléctrico en la punta del pararrayo tipo Dipolo 
 
La figura 4.12 se obsevan las lineas de campo eléctrico sobre la punta principal del 
pararrayo. 
 
Figura 4.12 Líneas de campo eléctrico del pararrayo tipo Dipolo. 
 
CAPÍTULO 4. ANÁLISIS DE RESULTADOS DE LAS SIMULACIONES 
51 
En la Figura 13 se observa la curva de campo eléctrico que se mide de la placa superior 
a la punta principal del pararrayo, en donde el mayor valor de campo eléctricose 
encuentra de la punta principal del pararrayo y comienza a disiparse el campo hasta 
llegar a la placa inferior donde llega a 0. 
 
 
Figura 4.13 Grafica de campo eléctrico medido solo de la punta central del pararrayo Dipolo. 
 
 
En la siguiente tabla 4.2 se observa los valores de campo eléctrico en la punta del 
pararrayo tipo Dipolo, así como en las otras dos partes de la forma del perfil. 
 
Tabla 4.2 Campo eléctrico del pararrayo Dipolo. 
 
Campo eléctrico 
kV/m 
Perfil del Pararrayo 
39.703 Punta principal 
10.233 Argolla 
5.321 Anillos 
 
 
 
 
 
 
CAPÍTULO 4. ANÁLISIS DE RESULTADOS DE LAS SIMULACIONES 
52 
4.3 ANÁLISIS AL PARARRAYO TIPO FARADAY 
 
En la figura 4.14 se muestra la geometría de la simulación al pararrayo tipo Faraday, 
donde la placa superior simula la nube de la descarga atmosférica y la placa inferior 
simula que el pararrayo esta aterrizado. 
 
 
 
 
Figura 4.14 Geometría del pararrayo tipo Faraday. 
 
 
La figura 4.15 se observa la gráfica de potencial eléctrico que simula la descarga 
atmosferica de -212.16 kV donde el mayor potencial se encuentra en la placa superior 
y comienza a disiparse desde la punta del pararrayo. 
 
 
CAPÍTULO 4. ANÁLISIS DE RESULTADOS DE LAS SIMULACIONES 
53 
 
 
Figura 4.15 Potencial eléctrico del pararrayo tipo Faraday. 
 
La figura 4.16 se observa cómo se genera el campo eléctrico en la punta principal del 
pararrayo que tiene el valor máximo. 
 
 
 
Figura 4.16 Campo eléctrico del pararrayo tipo Faraday 
 
CAPÍTULO 4. ANÁLISIS DE RESULTADOS DE LAS SIMULACIONES 
54 
En la figura 4.17 se observa con mejor detalle campo eléctrico generado en la punta del 
pararrayo con un nivel de campo eléctrico de 19.863 kV/m. 
 
 
 
Figura 4.17 Campo eléctrico en la punta del pararrayo tipo Faraday. 
 
 
 
En la figura 4.18 se obseva las lineas de campo eléctrico que se miden a la punta del 
pararrayo. 
 
 
Figura 4.18 Líneas de campo eléctrico del pararrayo tipo Faraday. 
 
CAPÍTULO 4. ANÁLISIS DE RESULTADOS DE LAS SIMULACIONES 
55 
 
En la Figura 4.19 se observa la curva de campo eléctrico que se mide de la placa superior 
a la punta principal del pararrayo en donde el campo máximo es la punta principal y 
empieza a disiparse el campo hasta la placa inferior hasta llegar a 0. 
 
 
 
 
Figura 4.19 Grafica de campo eléctrico medido solo a la punta central del pararrayo Faraday. 
 
 
 
 
En la siguiente tabla 4.3 se observa el valor de campo eléctrico en la punta del pararrayo 
tipo Faraday en este caso solo consta de uno por ser así la forma del perfil: 
 
 
Tabla 4.3 Campo eléctrico del pararrayo Faraday. 
 
Campo eléctrico 
kV/m 
Perfil del Pararrayo 
19.863 Punta principal 
 
 
 
 
 
CAPÍTULO 4. ANÁLISIS DE RESULTADOS DE LAS SIMULACIONES 
56 
En la siguiente tabla 4.4 se muestran los valores de campo eléctrico en las puntas 
principales de cada uno de los pararrayos, entonces con este primer estudio se puede 
decir que el mejor perfil es el tipo Tripolar en su capacidad de captación en 
comparación con otros dos tipos de pararrayos. 
 
 
 
Tabla 4.4 Tabla de resultados a la simulación a cada pararrayo en la punta principal. 
 
Tipo de pararrayo Perfil del Pararrayo Campo eléctrico 
(kV/m) 
Tipo Tripolar Punta principal 45.777 
Tipo Dipolo Punta principal 39.703 
Tipo Faraday Punta principal 19.863 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
CAPÍTULO 4. ANÁLISIS DE RESULTADOS DE LAS SIMULACIONES 
57 
 
4.4 ANÁLISIS A DOS PARARRAYOS TIPO TRIPOLAR VS TIPO DIPOLO 
SIMULTANEAMENTE 
 
En la figura 4.20 se muestra la geometría a dos pararrayos simultáneamente en este 
caso Tipo Tripolar vs Tipo Dipolo, las dimensiones se obtuvieron de pruebas realizadas 
en el laboratorio de alta tensión, así como también los valores de tensión con los que se 
trabajaron las siguientes tres simulaciones. 
 
 
 
 
 
Figura 4.20 Geometría de los pararrayos tipo Tripolar vs tipo Dipolo. 
 
 
 
En la figura 4.21 se observa el potencial eléctrico generado por la descarga de -211.15 
kV donde el potencial mayor se encuentra en la placa superior y se dispersa por el 
pararrayo hasta llegar a la placa inferior. 
CAPÍTULO 4. ANÁLISIS DE RESULTADOS DE LAS SIMULACIONES 
58 
 
Figura 4.21 Potencial eléctrico en dos pararrayos simultáneamente. 
 
En la figura 4.22 se observa el campo eléctrico que se genera en las puntas principales 
de los pararrayos, así como en sus diferentes puntas externas, también como en que 
parte de los pararrayos es donde se crea el mayor campo eléctrico. 
 
 
 
 
Figura 4.22 Campo eléctrico generado por dos pararrayos. 
 
CAPÍTULO 4. ANÁLISIS DE RESULTADOS DE LAS SIMULACIONES 
59 
En la figura 4.23 se observa con mayor detalle el campo eléctrico generado en las puntas 
principales, donde el valor en el pararrayo tipo tripolar es de 56.241 kV/m y en el 
pararrayo tipo dipolo es de 37.687 kV/m. 
 
 
Figura 4.23 Acercamiento del campo eléctrico en dos pararrayos. 
 
 
En la figura 4.24 se observa las líneas de campo eléctrico que se crean a partir de 
seleccionar las partes principales de los pararrayos, donde se ve que entre los dos 
pararrayos se crea un efecto que se contraen hacia cada pararrayo. 
 
 
 
Figura 4.24 Líneas de campo eléctrico medido en los dos pararrayos simultáneamente. 
CAPÍTULO 4. ANÁLISIS DE RESULTADOS DE LAS SIMULACIONES 
60 
En la figura 4.25 se muestra la gráfica donde se mide el campo eléctrico directamente 
al pararrayo tipo Tripolar en la punta principal y el valor pico da aproximadamente de 
56 kV/m y se observa como comienza a descender hasta llegar a cero. 
 
 
 
 
 
Figura 4.25 Grafica de campo eléctrico referido al pararrayo tipo Tripolar. 
 
 
 
 
En la figura 4.26 se muestra la gráfica donde se midió el campo eléctrico únicamente al 
pararrayo tipo Dipolo en la punta central y el valor pico da aproximadamente de 37 
kV/m y se observa como empieza a descender hasta llegar a cero. 
 
CAPÍTULO 4. ANÁLISIS DE RESULTADOS DE LAS SIMULACIONES 
61 
 
Figura 4.26 Grafica de campo eléctrico referido al pararrayo tipo Dipolo. 
 
 
 
En la siguiente tabla 4.5 se observan los valores de campo eléctrico en el caso del 
pararrayo tipo Tripolar contra tipo Dipolo que se obtuvieron en la simulación donde 
se puede apreciar la comparación que se realiza en cada caso en particular de los 
resultados. 
 
 
 
Tabla 4.5 Campo eléctrico referido a cada una de los pararrayos en el caso tipo Tripolar 
contra el tipo Dipolo. 
 
Tipo Tripolar 
 
 
 
 
 
vs 
Tipo Dipolo 
 
Campo 
eléctrico 
kV/m 
Perfil del 
pararrayo 
Campo 
eléctrico 
kV/m 
Perfil del 
pararrayo 
56.241 Punta 
principal 
37.687 Punta 
principal 
26 Punta externa 
izquierda 
10 Argolla 
 
CAPÍTULO 4. ANÁLISIS DE RESULTADOS DE LAS SIMULACIONES 
93 
 
4.5 ANÁLISIS A DOS PARARRAYOS TIPO DIPOLO VS TIPO FARADAY 
SIMULTANEAMENTE 
 
En la figura 4.27 se muestra la geometría a dos pararrayos simultáneamente en este 
caso Tipo Dipolo vs Tipo Faraday donde observan las dimensiones que se consideraron 
para la simulación. 
 
 
 
 
 
Figura 4.27 Geometría de los pararrayos tipo Dipolo vs tipo Faraday. 
 
 
 
En la figura 4.28 se observa el potencial electrico generado por la descarga de -211.15 
kV donde el mayor potencial se encuantra en la placa superior y se dispersa por el 
pararrayo hasta llegar a la placa inferior. 
 
 
62 
CAPÍTULO 4. ANÁLISIS DE RESULTADOS DE LAS SIMULACIONES 
63 
 
Figura 4.28 Potencial eléctrico en dos pararrayos simultáneamente. 
 
En la figura 4.29 se observa el campo eléctrico que se genera en las puntas principales 
de los pararrayos en donde el nivel más alto de campo se encuentra en tipo dipolo, así 
como en sus otras dos partes. 
 
 
Figura 4.29 Campo eléctrico generado por dos pararrayos. 
CAPÍTULO 4. ANÁLISIS DE RESULTADOS DE LAS SIMULACIONES 
64 
En la figura 4.30 se observa con mejor detalle el campo eléctrico generado porla 
descarga donde en este caso el nivel mas alto de campo se genera en la punta del 
pararrayo Tipo Dipolo con un nivel de 37.281 kV/m y en el pararrayo Tipo Faraday 
con un nivel aproximado de 20.37 kV/m. 
 
Figura 4.30 Acercamiento del campo eléctrico en dos pararrayos 
 
En la figura 4.31 se observa las líneas de campo eléctrico que se generan en las partes 
principales de los pararrayos. 
 
 
 
Figura 4.31 Líneas de campo eléctrico medido en los dos pararrayos simultáneamente. 
CAPÍTULO 4. ANÁLISIS DE RESULTADOS DE LAS SIMULACIONES 
65 
 
En la figura 4.32 se muestra la gráfica donde se mide el campo eléctrico directamente a 
la punta principal del pararrayo tipo Dipolo y el valor pico da aproximado de 37 kV/m 
y se observa como empieza a descender hasta llegar a cero. 
 
 
 
Figura 4.32 Grafica de campo eléctrico referido al pararrayo tipo Dipolo. 
 
 
 
 
 
En la figura 4.33 se muestra la gráfica donde se mide el campo eléctrico directamente a 
la punta principal del pararrayo tipo Faraday donde el valor pico da 21 kV/m y ser 
observa como empieza a descender hasta llegar a cero. 
 
CAPÍTULO 4. ANÁLISIS DE RESULTADOS DE LAS SIMULACIONES 
66 
 
Figura 4.33 Grafica de campo eléctrico referido al pararrayo tipo Faraday. 
 
En la siguiente tabla 4.6 se observan los valores de campo eléctrico en el caso del 
pararrayo tipo Dipolo contra el tipo Faraday que se obtuvieron en la simulación donde 
se puede apreciar la comparación que se realiza en cada caso en particular de los 
resultados. 
 
 
Tabla 4.6 Campo eléctrico referido a cada una de los pararrayos en el caso tipo Dipolo contra 
el tipo Faraday. 
 
Tipo Dipolo 
 
 
 
 
 
vs 
Tipo Faraday 
 
Campo 
eléctrico 
kV/m 
Perfil del 
pararrayo 
Campo 
eléctrico 
kV/m 
Perfil del 
pararrayo 
37 Punta 
principal 
19 Punta 
principal 
8.07 Argolla - - 
4.99 Anillo lado 
izquierdo 
- - 
 
 
 
 
 
CAPÍTULO 4. ANÁLISIS DE RESULTADOS DE LAS SIMULACIONES 
67 
 
4.6 ANÁLISIS A DOS PARARRAYOS TIPO TRIPOLAR VS TIPO FARADAY 
SIMULTANEAMENTE 
 
 
En la figura 4.34 se muestra la geometría a dos pararrayos simultáneamente en este 
caso Tipo Tripolar vs Tipo Faraday donde se observan de igual manera las dimensiones 
para la simulación. 
 
 
 
 
Figura 4.34 Geometría de los pararrayos tipo Tripolar vs tipo Faraday. 
 
 
En la figura 4.35 se observa el potencial electrico generado por la descarga de -211.15 
kV donde el mayor potencial se encuantra en la placa superior y se dispersa por el 
pararrayo hasta llegar a la placa inferior. 
 
 
CAPÍTULO 4. ANÁLISIS DE RESULTADOS DE LAS SIMULACIONES 
68 
 
Figura 4.35 Potencial eléctrico en dos pararrayos simultáneamente. 
 
 
En la figura 4.36 se observa el campo eléctrico que se genera en las puntas principales 
de los pararrayos, así como también en sus partes externas del tipo tripolar, en este 
caso se puede observar que donde existe el mayor campo se genera en el tipo tripolar. 
 
 
 
Figura 4.36 Campo eléctrico generado por dos pararrayos. 
 
CAPÍTULO 4. ANÁLISIS DE RESULTADOS DE LAS SIMULACIONES 
69 
En la figura 4.37 se observa con mejor detalle el campo eléctrico generado por la 
descarga donde el nivel más alto de campo se genera en la punta principal del 
pararrayo Tipo Tripolar con un nivel de 44.302 kV/m y en el pararrayo Tipo Faraday 
con un nivel aproximado de 18.725 kV/m. 
 
 
 
Figura 4.37 Acercamiento del campo eléctrico en dos pararrayos 
 
En la figura 4.38 se observa las líneas de campo eléctrico que se generan en las partes 
principales de los pararrayos. 
 
 
Figura 4.38 Líneas de campo eléctrico medido en los dos pararrayos simultáneamente. 
CAPÍTULO 4. ANÁLISIS DE RESULTADOS DE LAS SIMULACIONES 
70 
 
En la figura 4.39 se muestra la gráfica donde se mide el campo eléctrico únicamente a 
la punta principal del pararrayo tipo Faraday donde el valor pico da aproximadamente 
de 19 kV/m y se observa como empieza a descender hasta llegar a cero. 
 
 
 
Figura 4.39 Grafica de campo eléctrico referido al pararrayo tipo Faraday. 
 
 
 
En la figura 4.40 se muestra la gráfica donde se mide el campo eléctrico únicamente a 
la punta principal del pararrayo tipo Tripolar donde el valor pico da aproximadamente 
de 46 kV/m y se observa como empieza a descender hasta llegar a cero. 
 
 
CAPÍTULO 4. ANÁLISIS DE RESULTADOS DE LAS SIMULACIONES 
71 
 
Figura 4.40 Grafica de campo eléctrico referido al pararrayo tipo Tripolar. 
 
 
 
En la siguiente tabla 4.7 se muestran los valores de campo eléctrico que se obtuvieron 
en el caso del pararrayo tipo Faraday contra el tipo Tripolar que se obtuvieron en la 
simulación donde se puede apreciar la comparación que se realiza en cada caso en 
particular de los resultados. 
 
 
 
 
Tabla 4.7 Campo eléctrico referido a cada una de los pararrayos en el caso tipo Faraday 
contra tipo Tripolar. 
 
Tipo Faraday 
 
 
 
 
 
vs 
Tipo Tripolar 
 
Campo 
eléctrico 
kV/m 
Perfil del 
pararrayo 
Campo 
eléctrico 
kV/m 
Perfil del 
pararrayo 
20.552 Punta 
principal 
44.302 Punta 
principal 
- - 24.206 Punta externa 
derecha 
 
CAPÍTULO 4. ANÁLISIS DE RESULTADOS DE LAS SIMULACIONES 
72 
 
 
En la siguiente tabla 4.8 se muestran los resultados finales de campo eléctrico del caso 
en donde se colocan simultáneamente dos pararrayos, se puede apreciar que solo se 
colocaron los valores de las puntas principales de cada perfil y en particular se concluye 
como el pararrayo tipo tripolar tiene el valor de campo eléctrico mayor 
 
 
 
Tabla 4.8 Tabla de resultados de la simulación de pararrayos simultáneamente. 
 
Tipo de caso Perfil del pararrayo Campo eléctrico 
(kV/m) 
Tipo Tripolar 
Vs 
Tipo Dipolo 
 
Punta principal 
56.241 
36.687 
Tipo Faraday 
Vs 
Tipo Tripolar 
 
Punta principal 
20.553 
44.302 
Tipo Dipolo 
Vs 
Tipo Faraday 
 
Punta principal 
37.281 
20.37 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
93 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
CONCLUSIONES 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
73 
CONCLUSIÓN 
74 
5.1 CONCLUSIÓN 
 
Con este estudio de campo eléctrico que se realizó a diferentes perfiles de pararrayos 
comerciales de tipo sin cebado, se hizo un análisis comparativo a pruebas hechas en el 
laboratorio de alta tensión, donde estas mismas se modelaron mediante la simulación 
por el método del elemento finito. 
 
Los resultados que se obtuvieron se verificó la capacidad de captación ante una 
descarga atmosférica de cada uno de los pararrayos al ser modelados. Al realizar la 
primer simulación de una de las pruebas que consistió en analizar el comportamiento 
de un solo perfil ante una descarga, los datos arrojados fueron que el campo eléctrico 
en todo lo largo de su perfil en el pararrayo tipo Tripolar es mayor con un valor de 
45.777 kV/m en comparación a los otros perfiles que fueron de 39.703 kV/m para el 
tipo Dipolo y para el tipo Faraday de 19.863 kV/m. Posteriormente, de igual manera 
en la segunda prueba que consistió en analizar el comportamiento de dos pararrayos 
simultáneamente, el valor del campo eléctrico también es mayor del pararrayo tipo 
Tripolar con 56.687 kV/m cuando de modelaba junto al tipo Dipolo que fue de 36.687 
kV/m y después cuando se modeló junto al tipo Faraday, se obtuvo un valor de 20.553 
kV/m del tipo Faraday y de 44.302 kV/m del tipo Tripolar. Por lo que el pararrayo tipo 
Tripolar tiene mejor capacidad de captación en comparación a los otros tipos de 
perfiles. 
 
En los lugares donde se requieren instalar pararrayos, se observa que el tipo más 
utilizado es el Dipolo. Esto se debe a que uno de los factores a tomarse en cuenta es que 
en el mercado su costo es más económico al igual que el tipo Faraday, pero siendo este 
último menos efectivo en su capacidad de captación. En comparación al costo del perfil 
tipo Tripolar es más caro en el mercado y su efectividad es mejor al presentarse una 
descarga atmosférica.