DESCARGAS

ATMOSFÉRICAS

RAYOS Y

PROTECCIONES

Realizado por:

Carlos pacheco

DESCARGAS ATMOSFÉRICAS

Introducción

Se estima que en nuestro planeta existen simultáneamente unas 2000 tormentas y

que cerca de 100 rayos descargan sobre la Tierra cada segundo. En total ello

representa unas 4000 tormentas diarias y unos 9 millones de descargas

atmosféricas cada día. Las descargas atmosféricas son impredecibles. En tan sólo

millonésimas de segundo los rayos pueden descargar intensidades de 200 kA

(ocasionalmente 500 kA).

La descarga eléctrica atmosférica, popularmente conocida como “rayo”, es un

fenómeno natural observado y temido por el ser humano desde el mismo

comienzo del uso de la razón por parte de la especie. Por el ambiente donde

ocurren los rayos, la atmósfera terrestre y por las causas que les dan origen, ellos

presentan las características propias de un fenómeno climático, es decir con

estacionalidad del momento del año en el que pueden ocurrir con mayor

probabilidad, pero con mucha variabilidad en cuanto a tipo, cantidad o intensidad

de sus descargas. En términos generales podemos afirmar que el rayo es un

fenómeno frecuente e inevitable como el viento, la lluvia o la nevada.

Que es una descarga atmosférica?

Es la igualación violenta de cargas de un campo eléctrico 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 éstos se pueden encontrar 4 tipos: 2 iniciados en las

nubes, y 2 iniciados en tierra, ya que pueden ser positivos o negativos. Los más

comunes, siendo el 90 % de los rayos detectados, son de una nube negativa hacia

tierra. El rayo es una descarga eléctrica entre dos zonas de polaridades opuestas,

la nube y el suelo por ejemplo. Resulta que una corriente muy elevada está

generada durante unos microsegundos con un impacto generador de efectos

secundarios que cubren una zona destructiva mucho más grande que la descarga

en sí.

Tipos de descargas

Una descarga eléctrica en el aire de la atmósfera 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 opinión concordante de

distintos autores, entre las descargas nube a suelo, hay prevalencia de las que

transportan carga negativa. Se considera que sólo 10 % de los rayos son del tipo

positivo es decir transportan carga eléctrica positiva. A los fines de lograr

protección contra los efectos destructivos o dañinos para las instalaciones,

conviene orientar los estudios a los rayos antes que a otros tipos de descargas.

Descripción de la descarga

Considerando la nube cargada negativamente con respecto al suelo, una vez

alcanzados los valores suficientemente altos de la intensidad de campo eléctrico

en V/m, dentro de la nube de tormenta se inicia una descarga precursora (leader),

poco luminosa, con débil corriente eléctrica, que progresa a saltos de algunas

decenas de metros, siguiendo caminos erráticos pero con avance neto hacia el

suelo. El campo eléctrico a nivel del suelo aumenta, siendo más intenso (hasta

500 kV/m) en las partes sobresalientes de la superficie, edificio en altura, árbol,

antena, etc., por el “efecto de punta”. Desde allí parte una descarga ascendente

también débil 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 dieléctrica del aire iniciándose la conducción por corriente intensa, las

cargas fluyen bruscamente al suelo a través del “canal ionizado” que vincula

eléctricamente la nube con el suelo, como camino conductor. Este canal ionizado

es de una trayectoria bastante rectilínea. Resulta muy visible por su luminosidad y

muy audible por el estruendo ensordecedor que produce

Protección contra la sobretensión:

Imprescindible para Cualquier equipo electrónico

Las instalaciones electrónicas, el proceso de datos, los ordenadores, los sistemas

de CAD/CAM, los aparatos de medición, control y regulación, etc. constituyen una

parte cada vez más importante y necesaria de nuestra vida hasta el punto de que

parecería indispensable no poder contar con ellos en la mayoría de los procesos

de producción, de los centros informáticos, en la construcción o la administración e

incluso en el ámbito de la vida privada.

En el corazón de tales instalaciones se encuentran circuitos electrónicos altamente

integrados que concentran en unos milímetros cuadrados miles de unidades

funcionales distintas. Se esconde allí toda la potencia del proceso pero también la

vulnerabilidad del mismo, pues un fallo en los equipos significará para la empresa

pérdidas financieras importantes.

Entre los potenciales factores de interferencia más peligrosos para cualquier

instalación que se precie, se encuentra el fenómeno de las sobretensiones. Las

perturbaciones atmosféricas o los procesos de conmutación en las redes de

alimentación pueden provocar gravísimos daños a la instalación y fallos en la

producción. Dichos daños materiales y los derivados de tales fallos se evalúan en

centenares de miles de millones

Para evitar tales problemas, conviene tomar medidas preventivas en cuanto a

seguridad, capaces de garantizar la capacidad de funcionamiento de todas las

partes de la instalación existentes en los edificios aun en el caso de que se vean

afectados por los más elevados fenómenos de sobretensiones. Con esta

orientación se crea un extensísimo programa de elementos de protección contra

sobretensiones basados en vías de chispas, descargadores abiertos, de contorneo

deslizante, de gas, varistores y diodos supresores cuya adecuada combinación en

la red dará lugar a la más elevada de las protecciones

Sistemas de pararrayos

La protección de estructuras es más tolerante que una protección electrónica. Así,

un edificio puede tolerar hasta 100,000 V mientras que componentes electrónicos

a 24 V se dañarán con voltajes sostenidos de 48 volts!

Un sistema de protección contra descargas, llamado de pararrayos, debe cumplir

las siguientes condiciones :

Capturar el rayo en el punto diseñado para tal propósito llamado terminal

aérea.

Conducir la energía de la descarga a tierra, mediante un sistema de cables

conductores que transfiere la energía de la descarga mediante trayectorias

de baja impedancia, y;

Disipar la energía en un sistema de terminales (electrodos) en tierra.

Benjamín Franklin fue el primero en darse cuenta que la altura era un factor

El sistema más sencillo y más antiguo de pararrayos, es el que consiste en

terminales aéreas de cobre, bronce o aluminio anodizado terminadas en punta,

llamadas puntas Franklin, colocadas sobre las estructuras a proteger de los rayos.

Este sistema se aplica en iglesias, casas de campo, graneros y otras estructuras

ordinarias.

Causas de las sobretensiones

Impacto directo

Si el rayo alcanza directamente el edificio, todos los elementos conductores se

encuentran en cuestión de microsegundos sometidos a un potencial muy elevado.

Una corriente igualatoria altamente destructiva fluye desde las partes conectadas

a tierra de los equipos hasta el sistema de alimentación de la red de datos o de

bajo voltaje

Impacto lejano

Incluso si el propio edificio no ha sido alcanzado, existe el efecto del rayo que, con

sus ondas transitorias y sus amplitudes de alto voltaje, se propagan a lo largo de

la línea de alimentación casi con la velocidad de la luz, poniendo en peligro

cualquier sistema electrónico.

Rayos entre nubes

Si se ha alegrado de ver que el rayo no alcanzaba la tierra sino que rebotaba de

nube a nube se ha alegrado demasiado pronto porque los rayos de nube a nube

descargan sobre la tierra cargas de reflexión y generan a la velocidad de la luz

unas ondas transitorias sobre las redes eléctricas y las líneas de datos, siendo el

resultado el mismo del apartado anterior.

Operaciones de conmutación

Cuando una instalación se avería sin que la haya alcanzado ningún rayo, puede

haber sido por otra causa. Operaciones de encendido y apagado de la compañía

eléctrica suministradora, conmutación de cargas inductivas o capacitivas, así

como contactos a tierra accidentales o cortocircuitos en la red de alimentación

eléctrica

Niveles de protección

Se puede establecer una clasificación de tres niveles de protección, contra los

efectos de los rayos tanto directos como indirectos: el nivel primario está

constituido por los sistemas de pararrayos, terminales aéreos, estructuras

metálicas, blindajes y tomas de tierra; el nivel secundario sería el necesario a nivel

de la alimentación del equipo o sistema, y se dividirá, a su vez en dos subniveles:

general y medio en el que se utilizarán descargadores de clases B y C; el terciario

sería a nivel de circuito impreso y componentes electrónicos y recibe la

denominación de protección fina. Los elementos protectores empleados en esta

caso son los de tipo D, que describiremos más adelante.

Un esquema de la situación expuesta se puede ver en el esquema siguienteen el

que se describen los distintos tipos de zonas de protección y los descargadores

utilizados en cada caso.

Limitadores de sobretensiones

Los tipos de limitadores de sobretensiones más habituales son los que se

describen a continuación:

Descargadores: abierto, de contorneo deslizante y de gas

Varistor de óxido de zinc

Diodos supresores

Los descargadores abiertos se usan en protecciones secundarias. En ellos el aire

ambiente se usa como dieléctrico. La tensión de encendido del descargador no

puede definirse exactamente pues depende de la humedad o de las impurezas del

aire.

Un varistor de óxido de zinc se compone de granos de ZnO cimentados en otros

granos de óxido metálicos. El óxido de zinc es un semiconductor de tipo

N, que limita con los demás óxidos metálicos de tipo P. El comportamiento

eléctrico del varistor de óxido de zinc queda, pues, limitado por el número de

contactos PN, dispuestos en paralelo y en serie. Al sobrepasar las tensiones de

conducción en los límites de los granos individuales, el varistor pasa a ser

conductor. Su tiempo de respuesta es más rápido que el de un descargador de

gas, pero más lento que el de un diodo supresor de silicio.

Los diodos supresores de silicio son uniones PN caracterizadas por su aguda

característica de avalancha, por su alta capacidad de supresión de

sobretensiones, por su extremadamente rápida respuesta y por su baja resistencia

de conducción.

Mediciones de descargas atmosféricas

Las estaciones encargadas de la detección de descargas nube – suelo deben

estar concebidas para medir por recepción de las ondas electromagnéticas que

emiten las descargas, la siguiente información:

Ubicación del punto de impacto

Momento de ocurrencia (fecha y hora con precisión de 1 ms)

Amplitud de la onda ( 0 a n kA )

Número de arcos que componen la descarga

Toda esta información se puede extraer de los registros si se lleva a cabo un

monitoreo permanente del área en estudio y se realiza el procesamiento

simultáneo de datos aportados por diferentes estaciones ubicadas

estratégicamente en el territorio donde se desea estudiar las características

eléctricas del fenómeno.

Cómo medir los parámetros del rayo

El rayo por ser una corriente eléctrica variable produce un campo

electromagnético irradiado. Este campo aparece como perturbador de los

sistemas que presentan lazos o bucles de conducción.

La frecuencia equivalente del campo se ubica en la gama de las ondas largas por

tal motivo es difícil de producir un blindaje para evitar su acción. Los receptores

de radio, de amplitud modulada, recepcionan las ondas de este campo aún dentro

de los edificios.

Una forma de medir los parámetros del rayo es aprovechar este campo

electromagnético, captándolo y registrándolo como oscilógrafo con una base de

tiempo exacta y precisa que permita la discriminación de variaciones en una

décima de microsegundo (10-7 s ).

La antena de donde parte el campo electromagnético es el canal ionizado, que en

el caso de las descargas nube–suelo, se puede asimilar a un conductor rectilíneo

aproximadamente vertical de gran longitud ( 3 ó 4 km ).

En una aproximación simplificada, podemos aceptar que para una distancia “d”

suficientemente alejada del lugar de impacto, la intensidad de campo magnético

H[A/m] está dada por la ley de Ampère H = I/(2 π r) a una distancia r [m] de

un alambre rectilíneo infinitamente largo, por el que circula la corriente

Campo magnético generado por la corriente del rayo

Si la descarga es vertical, el campo será esencialmente horizontal. El lazo o espira

que concatene las líneas de este campo debe ser vertical y pertenecer a un plano

que contiene a la recta del canal ionizado.

En esas condiciones la tensión inducida según la ley de Lenz será:

U = S μO ΔH/Δt (2)

Reemplazando (1) en (2) resulta: U = 200 (S/r) (ΔI/Δt)

U = tensión inducida en [V]

S = superficie de la espira en [m

r = distancia de la espira al canal ionizado en [m]

t = pendiente máx. De la corriente del rayo en [kA/μs]

Ejemplo: El rayo cae a mil metros de la estación donde está la espira cuya

superficie es de 1[m2].

La pendiente máxima del rayo esperada es ΔI/Δt = 40 [kA/μs] Bajo estas

condiciones U = 200 (S/r) (ΔI/Δt) = 8[V]. La tensión inducida es de 8[V] en la espira

de 1[m2].

Si nos aproximamos a la caída del rayo a una distancia r =100[m] la tensión

máxima sería de

80[V]. Cualquier distancia menor induciría valores de tensión que podrían ser

peligrosos para los circuitos electrónicos. Por esta razón la tensión inducida por la

caída de un rayo es una seria amenaza para los equipos conectados a la red, por

su cordón de alimentación, aunque ellos estén desenergizados.

Conclusiones

Si bien existen síntomas claros que preceden la ocurrencia de descargas

atmosféricas, no resulta posible predecir con certeza, el momento, el lugar de

impacto ni la intensidad de sus parámetros

Todas las mediciones realizadas sirven para ser acumuladas y analizadas en

términos estadísticos, permitiendo luego hablar sobre probabilidad de la

ocurrencia de tal o cual tipo de descarga.

El fenómeno rayo está estudiado seriamente desde hace más de un siglo,

habiéndose llegado a determinar y medir, en los últimos treinta años, con un alto

grado de minuciosidad, las características de las descargas eléctricas en la

atmósfera. Aunque todos se parecen, no existen dos rayos que sean iguales, y

son muchos los que ocurren sobre el planeta tierra.

En el territorio de Francia ocurren (estimativamente, según el modo de conteo) 1,6

millones de descargas anuales, algo así como 3 descargas por kilómetro cuadrado

y por año. Debe señalarse sin embargo que existe una enorme dispersión en los

valores, respecto de este promedio, para las diferentes regiones del país.