descargas atmosféricas

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revista digital sobre Descargas Atmosféricas

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  • La descarga atmosfrica conocida

    como rayo, es la igualacin violenta de

    cargas de un campo elctrico que se ha

    creado entre una nube y la tierra o,

    entre nubes.

    Los rayos que nos interesan por su

    efecto, son los de nube a tierra, y en

    stos se pueden encontrar 4 tipos: 2

    iniciados en las nubes, y 2 iniciados en

    tierra, ya que pueden ser positivos o

    negativos. Los ms comunes, siendo el

    90 % de los rayos detectados, son de

    una nube negativa hacia tierra.

    Los rayos que inician en tierra son

    relativamente raros y ocurren

    normalmente en montaas o en

    estructuras altas.

    Los rayos iniciados en las nubes

    negativas, normalmente aparecen en

    nubes de tormenta del tipo

    cumulonimbus convectivas que

    usualmente miden de 3 a ms de 50

    km de largo, y son consecuencia de un

    rompimiento dielctrico atmosfrico.

    Este rompimiento una vez iniciado,

    avanza en zigzag a razn de unos 50

    metros por microsegundo con

    descansos de 50 microsegundos.

    Una vez que el rompimiento cre

    una columna de plasma en el aire, la

    descarga elctrica surgir

    inmediatamente dentro de un

    hemisferio de unos 50 m de radio del

    punto de potencial ms alto. Y,

    cualquier objeto puede ser el foco de

    esta descarga hacia arriba de partculas

    positivas, an desde una parte metlica

    debajo de una torre.

    Las descargas atmosfricas pueden

    causar grandes diferencias de potencial

    en sistemas elctricos distribuidos fuera

    de edificios o de estructuras protegidas.

    A consecuencia de ello, pueden circular

    grandes corrientes en las canalizaciones

    metlicas, y entre conductores que

    conectan dos zonas aisladas. Pero, an

    sin la descarga, una nube cargada

    electrostticamente crea diferencias de

    potencial en la tierra directamente

    debajo de ella.

    El campo elctrico debajo de una

    nube de tormenta es generalmente

    considerado entre 10 y 30 kV/m. Es

    importante, comparar estos valores con

    el de 1.5 kV/m con el que las puntas

    empiezan a emitir iones.

  • Una descarga elctrica en el aire de la atmsfera

    puede ocurrir dentro de una misma nube, o de una

    nube a otra, en este caso la identificamos como intra

    nube. Si la descarga tiene lugar entre la nube y el

    suelo toma el nombre de rayo. Existe la posibilidad

    que la descarga ocurra en un sentido o en el otro y que

    la carga migrante pueda ser positiva o negativa. Sin

    embargo, por opinin concordante de distintos

    autores, entre las descargas nube a suelo, hay

    prevalencia de las que transportan carga negativa. Se

    considera que slo 10 % de los rayos son del tipo

    positivo es decir transportan carga elctrica positiva. A

    los fines de lograr proteccin contra los efectos

    destructivos o dainos para las instalaciones, conviene

    orientar los estudios a los rayos antes que a otros tipos

    de descargas.

    La nube que se carga elctricamente como para

    originar el rayo es el cumulus nimbus, que tiene

    forma reconocible vista a la distancia, es detectable

    por los radares meteorolgicos y muestra un color gris

    muy oscuro, casi negro, en su parte baja que impide el

    paso de la luz solar, oscureciendo llamativamente en

    pleno da, toda la regin bajo su influencia.

    Las cargas acumuladas por la nube pueden alcanzar

    una altura del orden de 10 km, situndose su parte

    baja a unos 3 km del suelo. La intensidad del campo

    elctrico, a nivel del suelo y con buen tiempo es del

    orden de 200 V/m. Este campo est originado por la

    ionosfera, capa con partculas cargadas elctricamente

    que se sita a una altura de 50 60 kilmetros del

    suelo.

    La mayora de los rayos

    nube-tierra se inician por el

    fuerte campo elctrico que

    existe en la carga positiva

    situada debajo de la nube y la

    carga negativa de la base de

    la nube. Una vez que la nube

    de tormenta se ha cargado

    hasta el punto en que el

    campo elctrico excede la

    rigidez dielctrica local de la

    atmosfera, es decir, la

    capacidad de la atmosfera de

    mantener una separacin de

    cargas elctricas. El

    resultado es la iniciacin de

    una descarga elctrica

    atmosfrica o rayo.

    En ese instante, el campo

    elctrico es del orden de un

    milln de voltios por metro,

    en menos de un segundo, el

    rayo transportar la carga

    correspondiente a 1020

    electrones y producir una

    potencia elctrica

    equivalente a 100 millones

    de bombillas de alumbrado

    residencial

    PROCESO DE FORMACION DEL

    RAYO TIPOS DE DESCARGAS

  • Considerando la nube cargada

    negativamente con respecto al suelo, una

    vez alcanzados los valores suficientemente

    altos de la intensidad de campo elctrico

    en V/m, dentro de la nube de tormenta se

    inicia una descarga precursora (leader),

    poco luminosa, con dbil corriente

    elctrica, que progresa a saltos de algunas

    decenas de metros, siguiendo caminos

    errticos pero con avance neto hacia el

    suelo. El campo elctrico a nivel del suelo

    aumenta, siendo ms intenso (hasta 500

    kV/m) en las partes sobresalientes de la

    superficie, edificio en altura, rbol, antena,

    etc., por el efecto de punta. Desde all

    parte una descarga ascendente tambin

    dbil inicialmente.

    Cuando la distancia entre ambos

    precursores llega a valores entre 50 y 100

    metros se establece el contacto entre

    ambos por ruptura de la rigidez dielctrica

    del aire inicindose la conduccin por

    corriente intensa, las cargas fluyen

    bruscamente al suelo a travs del canal

    ionizado que vincula elctricamente la

    nube con el suelo, como camino conductor.

    Este canal ionizado es de una trayectoria

    bastante rectilnea. Resulta muy visible por

    su luminosidad y muy audible por el

    estruendo ensordecedor que produce.

    Con la incorporacin de los

    microprocesadores a los sistemas

    elctricos y el uso diario y frecuente de

    equipos electrnicos, la susceptibilidad

    de daos causados por sobretensiones

    aumenta considerablemente. Este

    problema no exista en fecha tan

    reciente como 1970 y en la actualidad,

    la cantidad de energa de los rayos

    puede producir daos irreparables en

    los circuitos integrados.

    Los daos a los centros de control

    de motores, equipos controlados por

    micro procesadores, equipo de oficinas

    y de control variable de velocidad

    motores son ms que evidentes.

    Adems hay otras consecuencias como

    aceleracin del proceso de

    degradacin, afectacin de la vida til,

    y prdida de informacin. En casos

    extremos, los rayos pueden producir

    incendios y prdidas de vidas.

    En estos casos es recomendable

    proteger los servicios de entrada contra

    los efectos de sobretensiones, causados

    contra dichos fenmenos transitorios

    mediante la instalacin de Supresores

    de Impulsos o pararrayos

    debidamente seleccionados.

  • La proteccin de estructuras es ms

    tolerante que una proteccin electrnica.

    As, un edificio puede tolerar hasta

    100,000 V mientras que componentes

    electrnicos a 24 V se daarn con

    voltajes sostenidos de 48 volts.

    Los rayos ocurren con diferentes

    intensidades y un sistema que proteja

    contra su efecto deber ser diseado

    tomando en cuenta los rayos promedio o

    mayores del rea en cuestin. Las

    descargas no pueden ser detenidas, pero la

    energa puede ser desviada en una forma

    controlada. El intentar proteger contra

    descargas directas puede ser

    excesivamente caro.

    SISTEMAS DE PARARRAYOS

    FACTORES DETERMINANTES EN

    UN PARARAYOS

    Conductividad

    La resistencia total desde el

    pararrayos hasta la placa ser de

    menos de 0,03 ohms.

    Conexionado y disposicin

    Las interconexiones deben ser

    mnimas;

    La trayectoria ser lo ms

    sencilla posible, evitando curvas

    pronunciadas y ngulos rectos,

    segn se detalla a continuacin:

    La seccin del conductor de

    bajada ser de cobre de 50 mm2,

    por lo menos.

    El elemento receptor (punta del

    pararrayo) deber estar dispuesto

    de tal forma que sobresalga por lo

    menos 15 cm con respecto a

    cualquier otro elemento que este

    montado.

    UN SISTEMA DE PROTECCIN

    CONTRA DESCARGAS

    (PARARAYOS) DEBE:

    Capturar el rayo en el punto diseado

    para tal propsito llamado terminal area.

    Conducir la energa de la descarga a

    tierra, mediante un sistema de cables

    conductores que transfiere la energa de la

    descarga mediante trayectorias de baja

    impedancia.

    Disipar la energa en un sistema de

    terminales (electrodos) en tierra.

  • PROTECCIN DE SERVICIO DE

    ENTRADA PARA CASOS ESPECIALES

    Con la incorporacin de los

    microprocesadores a los sistemas elctricos y

    el uso diario y frecuente de equipos

    electrnicos, la susceptibilidad de daos

    causados por sobretensiones aumenta

    considerablemente. Este problema no exista

    en fecha tan reciente como 1970 y en la

    actualidad, la cantidad de energa de los rayos

    puede producir daos irreparables en los

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