Download - Descargas Atmosféricas
La descarga atmosférica conocida
como rayo, 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.
Los rayos que inician en tierra son
relativamente raros y ocurren
normalmente en montañas 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 más de 50
km de largo, y son consecuencia de un
rompimiento dieléctrico atmosférico.
Este rompimiento una vez iniciado,
avanza en zigzag a razón de unos 50
metros por microsegundo con
descansos de 50 microsegundos.
Una vez que el rompimiento creó
una columna de plasma en el aire, la
descarga eléctrica surgirá
inmediatamente dentro de un
hemisferio de unos 50 m de radio del
punto de potencial más alto. Y,
cualquier objeto puede ser el foco de
esta descarga hacia arriba de partículas
positivas, aún desde una parte metálica
debajo de una torre.
Las descargas atmosféricas pueden
causar grandes diferencias de potencial
en sistemas eléctricos distribuidos fuera
de edificios o de estructuras protegidas.
A consecuencia de ello, pueden circular
grandes corrientes en las canalizaciones
metálicas, y entre conductores que
conectan dos zonas aisladas. Pero, aún
sin la descarga, una nube cargada
electrostáticamente crea diferencias de
potencial en la tierra directamente
debajo de ella.
El campo eléctrico 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 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.
La nube que se carga eléctricamente como para
originar el rayo es el “cumulus nimbus”, que tiene
forma reconocible vista a la distancia, es detectable
por los radares meteorológicos 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 día, toda la región bajo su influencia.
Las cargas acumuladas por la nube pueden alcanzar
una altura del orden de 10 km, situándose su parte
baja a unos 3 km del suelo. La intensidad del campo
eléctrico, a nivel del suelo y con buen tiempo es del
orden de 200 V/m. Este campo está originado por la
ionosfera, capa con partículas cargadas eléctricamente
que se sitúa a una altura de 50 ó 60 kilómetros del
suelo.
La mayoría de los rayos
nube-tierra se inician por el
fuerte campo eléctrico 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 eléctrico excede la
rigidez dieléctrica local de la
atmosfera, es decir, la
capacidad de la atmosfera de
mantener una separación de
cargas eléctricas. El
resultado es la iniciación de
una descarga eléctrica
atmosférica o rayo.
En ese instante, el campo
eléctrico es del orden de un
millón de voltios por metro,
en menos de un segundo, el
rayo transportará la carga
correspondiente a 1020
electrones y producirá una
potencia eléctrica
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 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.
Con la incorporación de los
microprocesadores a los sistemas
eléctricos y el uso diario y frecuente de
equipos electrónicos, la susceptibilidad
de daños causados por sobretensiones
aumenta considerablemente. Este
problema no existía en fecha tan
reciente como 1970 y en la actualidad,
la cantidad de energía de los rayos
puede producir daños irreparables en
los circuitos integrados.
Los daños a los centros de control
de motores, equipos controlados por
micro procesadores, equipo de oficinas
y de control variable de velocidad
motores son más que evidentes.
Además hay otras consecuencias como
aceleración del proceso de
degradación, afectación de la vida útil,
y pérdida de información. En casos
extremos, los rayos pueden producir
incendios y pérdidas de vidas.
En estos casos es recomendable
proteger los servicios de entrada contra
los efectos de sobretensiones, causados
contra dichos fenómenos transitorios
mediante la instalación de “Supresores
de Impulsos” o pararrayos
debidamente seleccionados.
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.
Los rayos ocurren con diferentes
intensidades y un sistema que proteja
contra su efecto deberá ser diseñado
tomando en cuenta los rayos promedio o
mayores del área en cuestión. Las
descargas no pueden ser detenidas, pero la
energía 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 será de
menos de 0,03 ohms.
• Conexionado y disposición
• Las interconexiones deben ser
mínimas;
• La trayectoria será lo más
sencilla posible, evitando curvas
pronunciadas y ángulos rectos,
según se detalla a continuación:
• La sección del conductor de
bajada será de cobre de 50 mm2,
por lo menos.
• El elemento receptor (punta del
pararrayo) deberá estar dispuesto
de tal forma que sobresalga por lo
menos 15 cm con respecto a
cualquier otro elemento que este
montado.
UN SISTEMA DE PROTECCIÓN
CONTRA DESCARGAS
(PARARAYOS) DEBE:
• 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.
• Disipar la energía en un sistema de
terminales (electrodos) en tierra.
PROTECCIÓN DE SERVICIO DE
ENTRADA PARA CASOS ESPECIALES
Con la incorporación de los
microprocesadores a los sistemas eléctricos y
el uso diario y frecuente de equipos
electrónicos, la susceptibilidad de daños
causados por sobretensiones aumenta
considerablemente. Este problema no existía
en fecha tan reciente como 1970 y en la
actualidad, la cantidad de energía de los rayos
puede producir daños irreparables en los
circuitos integrados.
Los daños a los centros de control de
motores, equipos controlados por micro
procesadores, equipo de oficinas y de control
variable de velocidad motores son más que
evidentes.
Además hay otras consecuencias como
aceleración del proceso de degradación,
afectación de la vida útil, y pérdida de
información. En casos extremos, los rayos
pueden producir incendios y pérdidas de
vidas.
En estos casos es recomendable proteger
los servicios de entrada contra los efectos de
sobretensiones, causados contra dichos
fenómenos transitorios mediante la instalación
de “Supresores de Impulsos” o pararrayos
debidamente seleccionados.
SISTEMA FRANKLIN
Benjamín Franklin fue el primero en darse
cuenta que la altura era un factor importante en el
diseño de protecciones contra rayos.
El rango de atracción de un pararrayos es la
distancia sobre la cual un pararrayos sencillo
vertical de una altura dada sobre un plano limpio,
atrae una descarga atmosférica. El espacio
protegido por tal dispositivo define el lugar en que
la construcción no suele ser afectada por una
descarga directa.
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.
Estas terminales deben estar por lo menos 25
cm - las más pequeñas miden 30 cm - sobre la
estructura y, cuando esta altura mínima se emplea,
la distancia entre ellas debe ser como máximo de
6 m.
Para asegurarnos de una buena conexión y de
una baja impedancia, por lo menos cada terminal
aérea debe tener dos trayectorias a tierra, y estas
trayectorias deben estar cuando más a 30 m de
separadas entre sí.
Cuatro son los sistemas utilizados en la actualidad
para la protección externa contra el rayo:
Cuatro son los sistemas utilizados en la actualidad
para la protección externa contra el rayo:
SISTEMA TIPO JAULA DE
FARADAY
Para estructuras grandes, se utiliza una
modificación al sistema Franklin de
pararrayos, al añadir a las terminales
aéreas conductores que crucen sobre la
estructura a proteger como una caja de
Faraday limitada sobre y a los lados de la
construcción, y todo ese conjunto
resultante es conectado a cables múltiples
de bajada, que a su vez se conectan al
sistema de tierras perimetral del edificio.
Los edificios modernos con estructura
de acero y con varillas embebidas en
concreto se acercan al concepto de la
jaula de Faraday, y el riesgo de que un
rayo que penetre en un edificio protegido
de esta manera sea extremadamente
pequeño. Aunque se debe notar que los
rieles de los elevadores no deben ser
usados como el conductor de bajada de
los pararrayos.
Para hacer más efectiva la protección
de este sistema, se usan puntas del tipo
Franklin o del tipo "paraguas"
(patentadas).
Cuatro son los sistemas utilizados en la actualidad
para la protección externa contra el rayo:
TENDIDO
Protección formada por uno o múltiples
conductores aéreos situados sobre la estructura a
proteger. Los conductores se deberán unir a tierra
mediante 3 aterrizadores en cada uno de sus extremos.
El área protegida vendrá dada por el área formada por
el conjunto de conductores aéreos.
SISTEMA DE CEBADO
Los pararrayos con sistema de cebado o cebadores,
emiten descargas eléctricas de polaridad inversa al
rayo, consiguiendo atraerlo y elevar el punto de
impacto por encima de la estructura a proteger, por lo
que crea mayor radio de cobertura en la base, frente a
un pararrayos convencional.
Un pararrayos con sistema de cebado no es
comparable a una simple punta Franklin, sino a toda
una instalación de ellas, necesarias para cubrir la
misma área de protección, con el consiguiente ahorro
en instalación y materiales de bajantes, tomas de
tierra, equipotencialidad de las mismas, etc.
También presenta ventajas con respecto a los otros
sistemas para la protección de estructuras abiertas,
como pueden ser superficies al aire libre, instalaciones
deportivas, etc. En resumen, el sistema ofrece grandes
ventajas y un ahorro considerable con respecto a los
sistemas pasivos de captación.
PROTECCIÓN DE TORRES DE
COMUNICACIÓN
Se ha visto que las torres metálicas de
comunicaciones incrementan sustancialmente
la densidad de descargas en el lugar donde
son instaladas. La probabilidad se incrementa
aproximadamente con el cuadrado de la altura
de la torre.
Variaciones considerables existen en la
forma de cómo proteger una torre. Una
manera es colocar una punta pararrayos en la
cima de la torre y de ahí un conductor de
cobre por toda la longitud de la torre. Sin
embargo, por estar el cobre y el acero en
contacto, se corroe el acero - 0.38 Volts de la
celda galvánica - y, la inductancia del cable
tan largo crrea una trayectoria de tan alta
impedancia que no es efectivo como circuito
a tierra. Por lo que se recomienda usar la
estructura con una punta electrodo en su parte
superior con conectores adecuados para su
conexión al acero estructural.
Y, como conexión a tierra, electrodos de tierra
horizontales llamados contraantenas o, el anillo de tierra
utilizado por la puesta a tierra de los equipos electrónicos.
Note que cuando se usan arreglos de puntas sobre antenas
de radio, el plano de tierra cambia, por lo que el patrón de
emisión radial cambia también y el arreglo puede evitar la
recepción en ciertas zonas.
Para disipar rápidamente la energía de los rayos que
pegan en las torres, y con ello, elevar menos el potencial de
tierra del sistema y para bajar el riesgo a las personas cuando
esas torres están en zonas densamente pobladas, se
acostumbra colocar radialmente conductores enterrados
horizontalmente bajo las mismas técnicas de aterrizado
equipotencial empleado en las subestaciones de potencia, los
que reciben el nombre de contraantenas. Estas contraantenas
pueden ser menores de 30 m si el suelo es adecuado y los
electrodos son efectivos.
Si un rayo toca una torre, la torre conducirá la mayoría de
la corriente a tierra. La corriente remanente será conducida
por las retenidas, alambrado de las luces de alerta y por el
blindaje del cable coaxial.
Se debe mantener una separación de por lo menos 180 cm
entre los conductores visibles de sistemas de comunicación y
los conductores de pararrayos".
Incrementando la distancia entre la torre y el edificio del
transmisor y usando blindajes tipo Faraday se puede reducir
el impacto de la descarga en el equipo.
La entrada del cable de comunicaciones al edificio debe
ser a través de un cabezal de tierras.
La conexión a este cabezal
debe ser por lo menos de área
igual a la sección transversal de
los cables coaxiales. Una trenza
de 3 a 6 pulgadas de ancho es
usualmente empleada en este
uso.
Las conexiones a tierra del
cable coaxial se colocan en los
cables de la antena a una altura
de 50m y a cada 30 m hacia
arriba después de esa altura.
Otra conexión va en la base de
la torre y la otra en el cabezal
de tierras. La altura de 50 m es
crítica debida al hemisferio de
descarga del rayo ya
mencionado. Además, es
preferible colocar el cable de
señal por dentro de la estructura
metálica de la torre para reducir
la corriente en su blindaje.
Las luces de alerta solamente
requieren de supresores de
picos en las líneas de conexión
eléctrica, los que también se
deben aterrizar en el cabezal.
Una protección perfecta, del 100%
efectiva, es prácticamente imposible, y
toda protección se diseña sobre la base
de un riesgo o compromiso estadístico o
de probabilidad. Sin embargo, es posible
definir criterios generales para la
protección de equipos electrónicos en
edificios, que son de aceptación general.
Se recomienda seguir este plan de
protección que consta de los seis
puntos siguientes:
Captura del impacto del rayo directo
en puntos preferentes y conocidos. Esto
significa la instalación de uno o más
terminales aéreos de captación en los
edificios.
Conducir la descarga a tierra de una
forma segura a través de una ruta
conocida. Se debe instalar uno o más
sistemas de conducción o bajantes a
tierra.
RESUMEN DEL PLAN DE SEIS PUNTOS DE PROTECCIÓN
CONTRA RAYOS
Disipar a tierra las descargas del rayo.
Esto requiere la instalación y
mantenimiento de un sistema de puesta a
tierra efectivo y de baja impedancia.
Eliminar inducciones a través de tierra o
lazos de tierra. Se requiere la planificación
cuidadosa, la creación de un único sistema
de puesta a tierra y la consideración
práctica para la instalación de los equipos.
Una red de tierras de baja impedancia es
esencial.
Proteger todas las líneas de potencia que
entren en la estructura o edificio contra
sobretensiones. Se requiere la instalación
de protectores o filtros reductores
específicos contra sobretensiones, equipos
estabilizadores, sistemas de alimentación
ininterrumpida y otras medidas
dependiendo de las circunstancias de cada
lugar.
Proteger todas las líneas de datos y de
señal que entren o salgan de la estructura o
edificio contra sobretensiones. Esto implica
la instalación de cajas, barreras y aparatos
de protección de alta velocidad y la
correcta puesta a tierra de los cables
apantallados.
