Descargas Atmosféricas

Proteccion

Descarga Atmosférica

El rayo es la unión de las cargas

positivas y negativas, constituyendo una descarga eléctrica a través de gases de baja conductividad. Las descargas pueden ocurrir de nube a nube o de nube a tierra.

Las de nube a tierra son a las que nos referiremos, por ser las que provocan daños tanto en tierra, como en el agua.

Usualmente las nubes están cargadas negativamente en su base y positivamente en su parte superior. Por inducción electrostática la tierra resultará positiva inmediatamente debajo de tal nube. Se establece así una diferencia de potencial enorme, produciéndose el rayo cuando se vence la rigidez dieléctrica del medio. Simultáneamente con el rayo se produce la luz (relámpago) y sonido (trueno).

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.

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! 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.

Un sistema de protección contra descargas, llamado de pararrayos, 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, y; Disipar la energía en un sistema de terminales (electrodos) en tierra. Cuando la energía de un rayo viaja a través de una trayectoria de gran impedancia, el daño causado puede ser grave por el calor y las fuerzas mecánicas que se crean.

Protección

ZONA DE PROTECCIÓN (Método Norteamericano)

En Norteamérica, los equipos y estructuras son clasificadas según su necesidad de protección contra descargas atmosféricas. Referencia: ANSI/NFPA 78-1989. PRIMERA CLASE.- Las estructuras de esta clase, requieren de poca o ninguna protección. El requisito es que verdaderamente estén conectados a tierra. Ejemplos de esta clase son: a) Todos las estructuras metálicas excepto tanques u otras estructuras que contengan materiales inflamables. b) Tanques de agua, silos y estructuras similares, construidas mayormente de metal. c) Astas bandera construidas de algún material conductor. SEGUNDA CLASE.- Esta clase consiste de edificios con cubierta conductora y estructura no conductora, tal como edificios con cubierta metálica. Este tipo requiere de conductores para conectar la cubierta a electrodos en la tierra. TERCERA CLASE.- Esta clase consiste de edificios con estructura metálica y cubierta no conductora. Este tipo requiere de terminales aéreas conectadas a la estructura y fuera de la cubierta para actuar como terminales pararrayos. CUARTA CLASE.- Esta clase consiste de estructuras no metálicas, que requieren una protección . Se incluyen en esta clase: a) Edificios de madera, piedra, ladrillo u otros materiales no conductores, sin elementos de refuerzo metálicos. b) Chimeneas. Aún con elementos de refuerzo, éstas deben tener una gran protección contra rayos, con terminales aéreas, cables de bajada y electrodos de aterrizado.

QUINTA CLASE.- Una quinta clase consiste de aquellas cosas cuya pérdida puede ser de consecuencias, y que normalmente recibe un tratamiento pararrayos completo, incluyendo terminales aéreas, cables de bajada y electrodos de aterrizado. Entre éstas están: a) Edificios de gran valor estético, histórico o intrínsico. b) Edificios conteniendo combustibles o materiales explosivos. c) Estructuras conteniendo sustancias que pueden ser peligrosas si se derraman como consecuencia de una descarga. d) Tanques o conjuntos de tanques. e) Plantas de energía y estaciones de bombeo. f) Líneas de transmisión. g) Subestaciones eléctricas.

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 siguiente en el que se describen los distintos tipos de zonas de protección y los descargadores utilizados en cada caso.

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.

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 es extremadamente pequeño.

Energía del rayo

La energía total que transporta un rayo puede llegar a estimarse en el orden de 1,25x10 9 joules, es decir unos 350 kWh. La potencia desarrollada por el rayo es grande, dado el tiempo de duración de la descarga que es muy pequeño, unas décimas de milisegundo. La forma de evaluar los daños que puede producir un rayo en los materiales que conducen la corriente a tierra, es evaluar la magnitud (I 2 t) en [A 2 s], o más precisamente la integral ∫ i 2 dt que se puede interpretar como energía específica por unidad de resistencia. ∫ i 2 dt [A 2 s] = W/R [J/Ω] Esta energía específica es la responsable del calentamiento de las partes conductoras y del esfuerzo electrodinámico entre conductores. Si la resistencia del conductor de bajada a tierra de la descarga tiene un valor de resistencia en corriente continua RCC , la energía transferida a ese conductor será: EW = RCC.(W/R) [J] Este razonamiento simple nos muestra que cuanto más bajo sea el valor de RCC en el conductor de bajada, menor será la energía aportada por lo tanto menor será la posibilidad de fusión y destrucción del conductor por aporte de calor. De acuerdo con [Charoy 1992] puede afirmarse que, excepto en el propio lugar de impacto los rayos, en general, no pueden hacer fundir más que hilos conductores finos por efecto de su corriente.

La pendiente del impulso de corriente

En el impulso de corriente debido a una descarga atmosférica, un valor muy importante a tener en cuenta es el crecimiento de la corriente o sea la pendiente Δi/Δt . Esta variación de corriente en el tiempo es la responsable de la tensión inducida en cualquier lazo conductor (abierto o cerrado) que se encuentre en las proximidades del camino de la corriente “i”. La relación que se establece entre dos circuitos acoplados magnéticamente pueden expresarse como:

U2 = M1,2 ΔI1/Δt

U2 = tensión inducida en una espira o lazo ( circuito secundario) [V]

I1 = corriente en el circuito primario [A]

M1,2 = inductancia mutua entre circuitos [H]

t = tiempo [s]

Esta tensión inducida es consecuencia de la variación del campo magnético asociado a ΔI1. La inductancia mutua será tanto mayor cuanto mayor sea la superficie de la espira expuesta a la acción del campo y cuando su posición respecto al circuito primario sea tal que concatene la mayor cantidad de líneas de campo magnético generadas por el circuito de la corriente. En compatibilidad electromagnética se acostumbra identificar como “circuito víctima” al secundario. Para reducir U2, no podemos hacer nada sobre la variación ΔI1/Δt, este valor está impuesto por el rayo, que actúa como fuente de corriente. Si podemos disminuir M1,2 reduciendo el área encerrada por la espira del circuito secundario.

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. Las mediciones realizadas en estas estaciones deben aportar datos para el diseño de protección de instalaciones de todo tipo, contra los efectos de la caída de rayos. Dos son los valores que primariamente interesan en este sentido: El nivel ceráunico NK La densidad de caídas de rayo N

El nivel ceráunico es el número de días al año que una tormenta eléctrica (con descargas atmosféricas) afecta a una zona definida. Esta información es siempre muy aproximada pero resulta muy útil. Según [Metz-Noblat 1998] en el territorio de Francia NK = 20 con un mínimo de 10 en planicie y un máximo de 30 en zona montañosa. La densidad de caídas de rayo expresa la cantidad de rayos que caen por kilómetro cuadrado de territorio y por año. N = Cdr / (km 2 – año). Según [Metz-Noblat 1998] en Francia N varía de 2 a 6. Una relación práctica entre los dos parámetros suele ser: NK/ N = 7