Proteccin contra el efecto de las tormentas elctricas de estructuras y edificios:conceptos bsicos, evolucin yEstaes la versin html del archivo http://www.iie.org.mx/2001e/apli.pdf.G o o g l e genera automticamente versions html de los documentosmientras explora la web.Para vincularse a esta pgina o para marcarla, utilice el siguienteurl:http://www.google.com/search?q=cache:sLTzCzSFI3kJ:www.iie.org.mx/2001e/apli.pdf+esfera+rodante&hl=es&ct=clnk&cd=1&gl=mxGoogle no tiene relacin con los autores de esta pgina ni esresponsable de su contenido.Se han resaltado estos trminos de bsqueda: esfera rodantePage 1207Instituto de Investigaciones ElctricasBoletn IIE, septiembre-octubre del2001ResumenLa tecnologa aplicada, apoyada en el anlisis,la experimentacin yla observacin cientfi-ca, ha demostrado su eficacia en la moderni-zacin decientos de procesos industriales, comercia-les, de comunicacin y de servicios,as como de losmateriales y metodologas utilizadas para la protec-cin dediversos equipos y procesos; desde la protec-cin en sistemas y equipos en altatensin hasta siste-mas que manejan muy baja energa, entre los que seincluyenequipos electrnicos y digitales.Sin embargo, existen leyes fundamentales comolaley de Ohm, la ley de gravedad o la ley universal degases que, pese a que fuerondescubiertos hace mu-chos aos, siguen vigentes y su validezproporcionaelementos invaluables para el desarrollo de nuevosmtodos, procesos ydesarrollos tecnolgicos.Uno de los casos ms relevantes que amalgamalaaplicacin de criterios fundamentales y el desarro-llo de nuevas tecnologas ysu aplicacin en los llama-dos dispositivos de proteccin no convencionalesloconstituye la proteccin contra el efecto de las tor-mentas elctricas enedificios y estructuras. La aplica-Proteccin contra el efecto de lastormentaselctricas de estructuras yedificios: conceptos bsicos, evolucin yaplicacinen MxicoArturo Galvn Diego, Ral Velzquez Snchezcin de estos dispositivosen el mbito mundial hagenerado escepticismo de una gran parte de la comu-nidadcientfica, reacciones diversas entre los usua-rios y una postura firme porparte de los fabricantespara que dichas tecnologas sean incluidas ennormasinternacionales.El objetivo de este artculo es ofrecer al lectorlainformacin bsica sobre los inicios de la protec-cin, la evolucin que losmtodos de proteccin con-tra las tormentas elctricas han tenido desde elsigloXVIII, la aplicacin de los criterios fundamentales deproteccin enestructuras o edificios modernos y sucontenido, as como la situacin queprevalece actual-mente en los comits de las diversas organizacionesnormativasnacionales e internacionales en lo refe-rente a la inclusin de las nuevastecnologas en lasguas de diseo.Los procedimientos recomendados paralaproteccin contra tormentas elctricas seencuentran contenidas ennormasinternacionales, que combinan laexperiencia en campo obtenidadurantemuchos aos con pruebas de laboratorio.Boletn IIE, septiembre-octubredel 2001Page 2208Instituto de Investigaciones ElctricasAplicacionestecnolgicasIntroduccinLa dependencia que el ser huma-no tiene con el clima esobvia, yaque ste tiene serias consecuenciasen todas nuestras actividades,des-de un buen clima para las laboresagrcolas hasta condiciones dedesastre paralas personas y pro-piedades. El rayo, o ms tcnica-mente, la descarga elctricaat-mosfrica a tierra, es una condi-cin especial del clima que ha sidoobjeto,desde tiempos remotos,de fascinacin y miedo, lo que ge-ner el hecho derepresentar alrayo como un poder divino en lamitologa de casi todos lospue-blos del mundo.Debido a los conocimientosadquiridos sobre estefenmenomediante el anlisis, experimen-tacin y observacin cientfica enlosltimos siglos, el rayo ha sidotransferido de su posicin divina,donde laoracin y los ritos cons-tituyeron los nicos medios deproteccin, a una simplemanifes-tacin del clima, donde sus pro-piedades lo ubican como un fe-nmenofsico, cuyo entendi-miento origin el desarrollo delos medios de proteccinconoci-dos hoy en da.Con el objeto de identificarlos sistemas de proteccin enelproceso de evolucin, el trminosistema convencional se aplicara los sistemasque utilizan termi-nales areas simples, tales comolos electrodos verticales(Electro-dos Franklin), conductores hori-zontales y tipo malla o JauladeFaraday; y el trmino sistema noconvencional se aplicar a los sis-temas queutilizan equipos connueva tecnologa, como los dispositivos de emisin temprana(ESEpor sus siglas en ingls) y los de transferencia de carga (CTS por sussiglasen ingls).Inicios de la proteccinEl primer estudio cientfico sobre el rayofue realizado por BenjamnFranklin hace aproximadamente 250 aos. Con su famosoexperimen-to del cometa, demostr que las nubes de tormenta estnelctricamentecargadas e infiri que el rayo es una descarga elctrica a granescala. Ensus experimentos con puntas metlicas, lleg a la conclusin de quelasnubes de tormenta descargan preferentemente dicha electricidad estti-casobre montaas elevadas, rboles, torres, mstiles o cualquier otroobjetometlico aterrizado. Estos resultados le permitieron anticipar elprimer sistemade proteccin con base en terminales areas verticales,conocidas como ElectrodosFranklin, cuyo nico objetivo es interpo-nerse en la trayectoria del rayo yconducir a travs de sus elementosconstitutivos la corriente de rayo que podra,de otra manera, incidirsobre algunas de las partes vulnerables del objeto aprotegerse.A partir de entonces, la proteccin contra tormentas elctricasbasadaen electrodos Franklin represent una solucin prctica, exten-dindose a nivelmundial. An cuando el concepto fue puramente empri-co con una proteccin pordebajo del 100%, la tcnica en el uso del Electro-do Franklin fue mejorado yperfeccionado con el paso del tiempo.En 1820, Hans Cristian Oersted descubri lapresencia de camposmagnticos alrededor de un conductor por el que circula unacorrienteelctrica. Esto origin que cientficos de la talla de Andr-MarieAmpereen Francia y Michael Faraday en Inglaterra tomaran los resultadosdeOersted para realizar trabajos de investigacin en electromagnetismo.En lossiguientes cincuenta aos, una intensa campaa de investigacinrindi susfrutos, cuando Clark Maxwell (un alumno de Michael Faraday)propuso, en 1866, unsistema alterno de proteccin contra tormentas elc-tricas, que se conoce comoJaula de Faraday o una terminal area tipo Ma-lla. Desde entonces, tanto elElectrodo Franklin como la Jaula de Faradayse utilizan ya sea en formaindependiente o en combinacin.Para instalaciones o estructuras pequeas, losElectrodosFranklin o terminales areas verticales pueden ubicarse enformaaislada cerca del objeto a protegerse para ofrecer una proteccinade-cuada. Este criterio de diseo permite utilizar tanto terminales a-reasverticales como terminales areas horizontales. Para estructu-ras de grandesdimensiones, las terminales areas verticales puedencolocarse sobre la mismaestructura, cuya interconexin a nivel detecho proporciona las condicionesnecesarias para generar una Jaulade Faraday, y los conductores de bajadanecesarios para disipar lacorriente de rayo a tierra deben estar diseados demanera que sePage 3209Instituto de Investigaciones ElctricasBoletn IIE, septiembre-octubre del2001evite la generacin de arcos laterales entre el sistema de proteccin yelmaterial conductor de la estructura.Al inicio, el nico objetivo de laproteccin contra tormentaselctricas era ofrecer un elemento de sacrificio parala terminacindel rayo, desviando la corriente de rayo a tierra en forma seguraatravs de los conductores de bajada. Actualmente, este sistema deproteccin seconoce como Sistema Externo de Proteccin contraTormentas Elctricas (SEPTE).Sin embargo, el uso cada vez msfrecuente de sistemas electrnicos-digitales hahecho que el SEPTEresulte insuficiente para las necesidades de proteccin delequipo elec-trnico sensible actual, por lo que se hizo necesario el desarrollodeun nuevo sistema de proteccin conocido como Sistema Interno deProteccincontra Tormentas Elctricas (SIPTE), constituido por launin equipotencial, elblindaje electromagntico y los dispositivosde proteccin contrasobrevoltaje.Evolucin del sistema convencional de proteccinGeneralmente, unode los argumentos principales manejado por losresponsables de los nuevos equiposen la aplicacin e instalacin de susproductos es que edificios y estructurasmodernas requieren equiposmodernos de proteccin contra tormentas elctricas,con el objeto deestar a la altura de la tecnologa del siglo XXI. Otro de losargumentoses que el sistema convencional de proteccin ha sido desarrolladoconbase en datos histricos, con un escaso soporte cientfico, tanto teri-cocomo de pruebas de laboratorio. Esta seccin tiene por objeto de-mostrar elsoporte cientfico utilizado durante la evolucin del sistemaconvencional deproteccin.Electricidad estticaBenjamn Franklin, durante el desarrollo de suproyecto Identidad de lanube de tormenta de 1747 a 1756, apoy sus conclusionessobre el rayoen los conceptos y conocimientos que se tenan en esa poca sobreelec-tricidad esttica:a) Un arco elctrico se propaga en zig-zag; lo mismo queel rayo.b)Objetos terminados en punta atraen la electricidad: el rayo ter-minasobre montaas, rboles, mstiles y chimeneas.c) Cuando se tienen diferentescaminos, la electricidad se libera porel camino de menor resistencia; lo mismoque el rayo.d)La electricidad genera fuego en materiales combustibles; lo mis-moque el rayo.e) La electricidad funde metales; lo mismo que el rayo.f) El rayodestruye objetospoco conductores; lo mismoque la electricidad.g) El rayoinvierte los polos deun magneto; lo mismo que laelectricidad.A partir de 1752,los descu-brimientos de Benjamn Franklinse propagaron rpidamente, to-mando encuenta los medios de co-municacin de aqulla poca. Susistema de proteccin fueaplicadobsicamente en iglesias, edificiospblicos y construcciones agrco-las,donde el dao debido a la inci-dencia de rayo era catastrfico. Elsistema deproteccin convencio-nal demostr su eficacia, compa-rando los daos antes ydespus desu instalacin en muchas construc-ciones. La era de la proteccincon-tra tormentas elctricas haba co-menzado, ofreciendo as elementosdecomparacin de dao en aque-llas construcciones protegidas y enaquellas que nolo estaban.Sin embargo, debido a la limi-tada informacin que se tena delfe-nmeno del rayo, algunos sistemasconvencionales no operaron comose esperaba.Uno de los casos queacapar la atencin fue el dao cau-sado en la Casa delConsejo de Arti-llera, en Purfleet, Essex, Inglaterra,equipada con el sistemaconvencio-nal de proteccin. El rayo penetrla proteccin, incidiendo en unapie-za de unin de acero embebida enconcreto cerca de uno de los Elec-trodosFranklin, cuyo extremo infe-rior conectaba a las canaletas, queeran las piezasmetlicas principalesdel edificio, con una conexin a tie-rra. Este incidente,debido a la pre-sencia de objetos metlicos adiciona-les al sistema deproteccin convenPage 4210Instituto de Investigaciones ElctricasAplicaciones tecnolgicascional,origin la primera recomen-dacin sobre la unin equipotencialy el concepto dedistancia de protec-cin de los Electrodos Franklin.Primera gua de diseo.Conode proteccinAn cuando se considera que Benja-mn Franklin fue el primero enpro-poner un cono de proteccin comomedida de la efectividad del sistemadeproteccin convencional, en 1823Gay-Lussac propuso un cono de pro-teccin con unradio de dos veces laaltura de la terminal area. Debido auna gran actividadatmosfrica derayos a tierra en la mayor parte deEuropa Continental en 1822, elMi-nistro del Interior de Francia orde-n la proteccin de todos los edifi-ciospblicos, utilizando el mejormodelo disponible y utilizando me-didas deinstalacin mejoradas. Parallevar a cabo la proteccin, el Minis-tro pidioficialmente a la Academiade Ciencias revisar la eficiencia delsistema deproteccin, nombrndo-se un comit de seis miembros nota-bles, todos ellosinvestigadores delfenmeno de la electricidad: M. M.Poisson, Lefevre-Gineau,Girard,Dulong, Fresnel y Gay-Lussac. El in-forme sobre el estudio realizadoporlos investigadores fue entregado a laAcademia de Ciencias, y fue adopta-docomo el modelo de proteccin ydeclarado como un documento deextrema importancia.La importan-cia de dicho documento fue de talmagnitud, que el gobierno francsor-den distribuirlo a todos los funcio-narios pblicos, a la iglesia yotrasinstancias con el objeto de hacerlodel conocimiento general. Estedo-cumento lleg a ser la primera guade una zona de proteccin especfica parasu aplicacin a las terminalesareas de un sistema de proteccin contratormentas elctricas.Modificacin al cono de proteccinMs adelante, en 1840 ybasado en observaciones, Sir William SnowHarris public un documento para laproteccin de embarcacionesmartimas basado en la zona de proteccin. De algunamanera, lo eleva-do de las embarcaciones ofreca un muy buen modelo deproteccin,debido a la poca influencia que se tena alrededor de laembarcacin.El mtodo ofrecido por Sir William Snow fue adoptado en 1847por laMarina Real, debido al xito obtenido en la instalacin del siste-ma deproteccin en 30 buques de la Marina Real que durante los lti-mos 12 aoshaban sido expuestos a severas tormentas elctricas ocu-rridas en diferenteslatitudes, sin experimentar dao alguno. A partir deestas observaciones, puededecirse que el cono de proteccin medianteun ngulo de proteccin con relacin2:1 haba sido un xito.En 1880, Preece condujo una serie de experimentos paramedir elcampo elctrico cerca de una terminal area vertical, concluyendo losi-guiente: una terminal area vertical ofrece una zona de proteccin pormediode un espacio cnico, cuya altura es la longitud de la terminal areay su basecorresponde a un crculo con un radio igual a la altura de laterminal area,cuyos lados corresponden al cuadrante de un crculo conradio igual a la alturade la terminal area(Preece, 1880). Este es el concep-to de una zona deproteccin con relacin 1:1, basado en los datos cientfi-cos obtenidos hastaesa fecha y que prevalecera por muchos aos.En 1892, Sir Oliver Lodge publicuna revisin de los conceptosde las zonas de proteccin propuestos hasta esafecha. La variacin en-contrada fue muy amplia: desde 90 hasta 30 grados. Comoresultado delas observaciones realizadas en ese tiempo, el cono de proteccinfuemodificado con ngulos desde 45 hasta 64 grados.En 1914, las investigacionesde Larmor & Larmor tuvieron uningrediente innovador de anlisis, ya que la zonade proteccin fue ana-lizada por medio de las lneas de campo elctrico medianteel uso (yadisponible en ese tiempo) de la teora electromagntica de Maxwell yeltrabajo tomaba en cuenta rayos oblicuos o inclinados. De hecho, estetrabajo esconsiderado como el primer documento en correlacionar elmecanismo de laionizacin de gases con la propagacin del rayo.En la dcada de los veinte, Peekevalu el concepto de zona deproteccin mediante pruebas de laboratorio paradeterminar las zonasde proteccin desde 64 hasta 76 grados.El modeloelectrogeomtrico y el mtodo de la Esfera rodanteEn el periodo comprendidoentre 1950 y 1970, se estableci un fuertecompromiso para proteger las lneas detransmisin de energa elctricaPage 5211Instituto de Investigaciones ElctricasBoletn IIE, septiembre-octubre del2001contra el efecto de los rayos directos en Estados Unidos. Comoconse-cuencia, se gener una extensa investigacin, en donde investigadorescomoWhitehead, Wagner y Hileman realizaron importantes contribu-ciones. Laaplicacin del modelo electrogeomtrico permiti que losndices de falla portormentas elctricas de las lneas de transmisindisminuyeran notablemente,aumentando en forma importante su con-fiabilidad. En 1978, Lee public unartculo en el que se describen lascaractersticas de la proteccin de edificioscontra tormentas elctricascon base en el modelo electrogeomtrico usado en laproteccin de l-neas de transmisin. Este modelo, conocido actualmente como elm-todo de la Esfera rodante, es aplicado por la mayora de las normasnacionalese internacionales.Con el fin de dar crdito a la aplicacin del mtodo de laEsferarodante (en caso de que su uso por la comunidad cientfica nofuerasuficiente), Horvath establece que este mtodo ya haba sido formuladoyvalidado mediante experimentos en laboratorio desde 1948. En sulibro publicadoen 1991, Horvath establece la validacin de la eficaciadel mtodo mediantesimulaciones en computadora.Primeras normasEn 1879 Anderson public un libroclave sobre proteccin contra tor-mentas elctricas titulado Conductores deproteccin contra rayo. Suhistoria, naturaleza y forma de aplicacin. Este libroes consideradocomo la primera norma sobre proteccin contra tormentaselctricasy, de hecho, la mayor parte de las recomendaciones contenidas enestelibro siguen vigentes y son aplicadas con xito.En el periodo de 1878 a1882, la proteccin contra tormentas elc-tricas captur la atencin de grandesarquitectos, ingenieros y cientfi-cos en la cultura occidental, en donde elesfuerzo consisti en lograr unentendimiento unificado de la tecnologa de laproteccin contra tor-mentas elctricas. La Real Sociedad de Meteorologa deInglaterra pidial Instituto Real de Arquitectos, a la Sociedad de Fsica y a laSociedadde Ingenieros Telegrficos considerar la publicacin de una serie dere-comendaciones para la instalacin de los elementos constitutivos de unsistemade proteccin convencional contra tormentas elctricas. Al fi-nal de un intensodebate e intercambio de experiencias, el comit publi-c, en 1882, el Informe dela Conferencia sobre Electrodos Pararrayosque estableca una serie derecomendaciones para la instalacin del siste-ma de proteccin contra tormentaselctricas en Inglaterra. Las tcnicasde proteccin contenidas en dicho informefueron consideradas infali-bles en ese tiempo.En 1904, la Asociacin Nacional deProteccin contra Incendios(NFPA por sus siglas en ingls) adopt y condens lasrecomendacio-nes contenidas en el informe de 1882 dentro de lasEspecificacionespara la Proteccin de EdificiosContra Tormentas Elctricas,cuyoprincipal objetivo fue proveer re-comendaciones prcticas para lainstalacinde un sistema de pro-teccin. La filosofa de dichas es-pecificaciones estabacontenida enlas siguientes palabras:Se ha demostrado que losconductores deproteccin contrarayo, cuando son instalados adecua-damente, constituyen unmedio deproteccin. La limitacin que nosimpone enfrentarnos a valoresdecorrientes desconocidas puede sersuperada suministrando una super-ficiemetlica suficiente para mane-jar, absorber y disipar la corrientede rayo quepudiera presentarse. Almismo tiempo, la proteccin sumi-nistrada por unconductor depen-der de la posicin relativa de ladescarga elctrica y de losobjetosencontrados a su paso. Cuanto mselevada sea la proyeccin dedichosobjetos sobre el nivel general a pro-tegerse, menor ser la distancia alanube de tormenta y, por conse-cuencia, menor la resistencia ofre-cida a ladescarga. Por lo tanto, losobjetos elevados sern golpeadosms frecuentemente,de ah la nece-sidad de disear un esquema de pro-teccin adecuado...(Lemmon)....Nuestro deseo en la pre-paracin de estas recomendacioneses proveerinformacin al pblico,con la que pueda obtener un cier-to grado de proteccin,reducien-do a un mnimo las prdidas causa-das por fuego. (Hedges)Esta primeranorma estado-unidense de proteccin contra tor-mentas elctricas estuvo basadaenlos conocimientos del rayo ms re-cientes que se tenan en aquellaPage 6212Instituto de Investigaciones ElctricasAplicaciones tecnolgicaspoca, por loque fue tomada comobase en la elaboracin de otras nor-mas y recomendacionespara im-plementar sistemas de proteccincontra tormentas elctricas.En elperiodo de 1910 a 1950,hubo un gran inters por llevar unaestadstica de laefectividad de lossistemas de proteccin contra tor-mentas elctricas en EstadosUni-dos. Uno de los registros al quemuchos investigadores hacen refe-rencia esel Iowa Fire MarshallsRecords. McEachron en 1950, es-tableci el 91% de losedificios da-ados por rayo fueron aquellos queno tenan instalado un sistemadeproteccin; informacin avalada enlos registros de Iowa. Muchos deloselementos constitutivos de los edifi-cios daados que contaban con unsistemade proteccin se encontraronen mal estado.Normas de aplicacingeneralLosprocedimientos recomendadospara la proteccin contra tormentaselctricas seencuentran contenidasen normas internacionales, que com-binan la experiencia encampo obte-nida durante muchos aos con prue-bas de laboratorio.El conceptoactualmente uti-lizado en la proteccin de edificiosy estructuras contratormentaselctricas y recomendado en nor-mas internacionales lo constituyeelmtodo de la Esfera rodante. Elradio de esta esfera corresponde ala distanciacrtica de rompimien-to entre el lder descendente y elobjeto a ser golpeado. Dehecho,este mtodo clarific algunos con-ceptos como el de la mayor cobertura deproteccin suministrada porlas terminales areas para mayores corrientes derayo, los casos ante-riormente inexplicables de los rayos laterales enestructuras de gran al-tura, la mejor proteccin ofrecida entre dos terminalesareas y la ma-yor incidencia de rayos en terminales areas de mayor altura.Unode los objetivos de los estudios realizados en la fsica de la des-carga esprecisamente obtener los parmetros ms significativos del rayo yla evaluacinde su impacto en la proteccin contra tormentas elctricas.Estos resultados,junto con la experiencia en campo obtenida tanto en laaplicacin de laproteccin externa basada en las terminales areas, los con-ductores de bajada ylas redes de tierra; as como en la proteccin internabasada en redes de tierra,superficies equipotenciales, zonas de proteccin,blindaje electromagntico ydispositivos de proteccin contra transitorios,han conducido a una serie derecomendaciones emitidas por diferentes pa-ses, con el fin de homogeneizar loscriterios de proteccin.A nivel internacional, estas recomendaciones estnconcentradasen la norma de la International Electrotechnical Commission(IEC),Grupo de Trabajo 81, agrupadas en la serie 61024, libros 1, 1-1 y 1-2paraproteccin externa e interna; en la serie 1312, libro 1 para efectosde camposelectromagnticos; en la serie 1662 para el riesgo de dao yen la serie 1663para instalaciones particulares, como las telecomunica-ciones. Existen tambinnormas nacionales que pueden representar unaexcelente referencia, como laBristish Standard BS-6651 para protec-cin externa e interna y la norma francesaNFC 17-100, sta ltimamuy parecida a la norma IEC.En Estados Unidos, se tienenlas normas National Fire ProtectionAssociation NFPA-780, la UnderwritersLaboratories UL 96-A y laAmerican Petroleum Institute API-2003 para proteccincontra descar-gas estticas y tormentas elctricas en instalaciones con peligrode fuegoy explosin. Existen adems otras recomendaciones, como son la Fede-ralAviation Administration FAA-019c y la DOD Ammunition SafetyStandard, Capitulo7.Otra excelente norma lo constituye la norma australianaAustralian StandardAS-1768, que contiene informacin muy completasobre el sistema de proteccininterna.Aceptacin de riesgoTodas las normas, en mayor o menor grado, aceptanque no existeuna proteccin absoluta contra el efecto de las tormentaselctricas,sino slo una proteccin adecuada, basada en el conocimientodelcomportamiento estocstico del rayo y la experiencia obtenida a tra-vs delos aos. A continuacin se indican los prrafos en los quealgunas normasespecifican dicha situacin:Page 7213Instituto de Investigaciones ElctricasBoletn IIE, septiembre-octubre del2001BS 6651: 1992Seccin uno IntroduccinEsta gua es de naturalezageneral... Se hace nfasis en que, ancuando se suministre proteccin, el riesgode dao a la estructura aproteger nunca puede ser completamente efectiva.IEC61024-1 (1990)Parte uno: Principios GeneralesUn sistema de proteccin contrarayo, diseado e instalado con-forme a esta norma, no puede garantizar unaproteccin absoluta a es-tructuras, personas u objetos; sin embargo, el riesgode dao causadopor rayo a estructuras protegidas ser reducidosignificativamente me-diante la aplicacin de esta norma.API 2003(1998)Capitulo 5, Seccin cincoProbablemente, la propiedad ms importante delrayo es su com-plejidad, por lo que no existe una norma del rayo...No puedeasegurar-se, en forma absoluta, la prevencin o la disipacin en forma seguradela corriente de rayo, an cuando se tomen las precauciones conocidas.UL 96A(1994)PrefacioEsta norma contiene requerimientos bsicos para losproductoscubiertos por la UL...Estos requerimientos estn basados enprincipiosde ingeniera slidos, investigacin, registros de pruebas yexperienciade campo....Aun cuando la norma UL 96A (1994) no indicaespecficamente quela proteccin no puede ser absoluta, indirectamente seadhiere al mismoconcepto cuando acepta que sus requerimientos estn basados enprinci-pios de ingeniera slidos, registros de pruebas y experiencia decampo.Esta aceptacin de riesgo es particularmente importante, ya quelainformacin que se tiene del rayo an es incompleta. Lo nico que sse sabeacerca del rayo, es que es un fenmeno caprichoso, aleatorio ydestructivo, porlo que es recomendable tomar todas las medidas deseguridad necesarias paraasegurar la integridad de las instalaciones yestructuras, as como de sucontenido.Dispositivos no convencionales de proteccinBreve resumenEn formanatural, existe la tendencia de mejorar la proteccin contrarayo a travs de unaumento en la eficiencia de las terminales areas. Enlos ltimos cuarenta aos,se hanvenido proponiendo nuevas tecno-logas para incrementar la eficien-cia enlas terminales areas. Estasnuevas tecnologas estn basadas enun supuestomejoramiento del ori-ginal del Electrodo Franklin, entrelas que se encuentran:a.Un bao de oro en las pun-tas pararrayos para reducir laresistencia en lacirculacinde la corriente de rayo.b.Modificacin de la punta pa-rarrayos,utilizando diversasformas, como erizos o pun-tas adicionales con el objetodeincrementar la distanciade atraccin del electrodo pa-rarrayos.c. Electrodosradiactivos.d.Tecnologa ESE (EarlyStreamer Emission).e. Tecnologa CTS(ChargeTransfer System).Las dos primeras modifica-ciones han demostrado, atravs delos aos, no ser tan efectivas comose supona. Para el caso de loslla-mados erizos, el problema prin-cipal es que su costo es muy eleva-do sinser un medio de proteccinefectivo. Adems, la filosofa de suoperacin serealiza en un marcopseudotcnico, difcil de entenderdesde el punto de vistacientfico.Los electrodos radioactivosbasan su efectividad en un incre-mento enel nivel ionizante alrede-dor de la punta pararrayos. Des-afortunadamente, estenivel deionizacin es muy pequeo com-parado con el nivel de ionizacinproducidopor el lder descenden-te antes de producirse la descargaelctrica de rayo. Eluso de este tipoPage 8214Instituto de Investigaciones ElctricasAplicaciones tecnolgicasde electrodosha sido prcticamen-te prohibido debido a los riesgosde exposicin del pblicoen gene-ral a la radioactividad.Como sustitutos de los elec-trodos radioactivos,se desarrolla-ron otros sistemas basados prin-cipalmente en electrodosauxilia-res, generalmente flotantes queutilizan las diferencias de poten-cialque se logran en los cambiosde campo elctrico esttico justoantes de lainiciacin del rayo deretorno. Entre estos dispositivosse encuentran lasterminales a-reas ESE, que pueden o no utili-zar una fuente permanente deex-citacin instalada cerca de la pun-ta pararrayos, con el objeto deacelerar ogenerar ms rpida-mente un lder ascendente en lasinmediaciones de la puntajustoantes de la iniciacin del rayo. Deesta forma, este lder ascendenteforzadoalcanzara mayores dis-tancias al momento de producir-se el punto de contacto,aumen-tando la efectividad del sistema deproteccin. Al igual que lasotrasmejoras, este sistema no ha sidovalidado en campo, a pesar de quelosfabricantes argumentan haberobtenido resultados positivos enlaboratorio. Uno delos aspectoscientficos ms relevantes contra lautilizacin de estosdispositivos esque la microdescarga inicial no siem-pre garantiza la propagacindel l-der ascendente, porque an cuandose inicie la microdescarga, el niveldegradiente de potencial alrededor dela punta pararrayos necesario paralapropagacin del lder ascendente esprcticamente suministrado por lacargacontenida en el lder ionizadodescendente.Algunos fabricantes, junto conpseudocientficos, han ido muchoms lejos, proponiendo inclusive dispositivosque evitan o neutrali-zan la acumulacin de carga en las celdascorrespondientes de la nube(tecnologa CTS) a travs de corrientes inicas quese propagan de laterminal area a la nube de tormenta, evitando con ello laformacindel lder descendente en el volumen de inters, que es el paso previo alainiciacin del rayo. Este razonamiento est fuera de todo contextocien-tfico, ya que los resultados obtenidos en las investigaciones de loslti-mos veinte aos en la formacin del rayo indican que:El plano de tierra uobjetos aterrizados elevados no tienen in-fluencia alguna en la formacin (desdela nube) del lder descendente,siendo esta influencia significativa hasta laetapa del ltimo paso de ladescarga.Aspectos tcnicos y de diseoLas nuevastecnologas pretenden -al menos eso se cree- aumentar laeficacia y eficienciadel sistema de proteccin, ofreciendo una mayorcobertura a un menor costo (porel simple hecho de utilizar un menornmero de terminales areas convencionales),lo que implicara ademsuna reduccin sustancial en el riesgo dedao.Desafortunadamente, los aspectos de diseo no siempre son lo trans-parentesque deberan ser para el usuario. Por ejemplo, los fabricantes de latecnologaCTS especifican nicamente el nmero y caractersticas de ubi-cacin de susequipos de proteccin, pero no le entregan al usuario (comocualquier estudio deriesgo lo amerita) las memorias de clculo respecto altipo de tormentaselctricas de las que estn protegiendo la estructura oinstalacin (corriente derayo o carga a ser neutralizada, densidad de rayosa tierra, volumen de atraccinofrecido por la estructura, etctera). Losfabricantes e instaladores de latecnologa CTS consideran que las memo-rias de clculo son secretos deempresa.Para la tecnologa ESE, existen varias empresas en Mxico: algu-nasutilizan una fuente permanente emisora de iones que se activa conla presencia dela tormenta elctrica, ya sea a travs de la fuerza queejerce el viento sobre elmstil que sostiene al dispositivo emisor o atravs de fuentes permanentesemisoras de iones, y otra que utiliza lamisma energa del lder descendente paragenerar micro descargas a tra-vs de un arreglo resistivo-capacitivo.Algunastecnologas apoyan sus criterios a travs de la norma fran-cesa 17-102 queofrece aumentos en cobertura sobre el sistema conven-cional de proteccin. Otrasapoyan su tecnologa en registros propiosobtenidos en laboratorio sobre elaumento en la cobertura sobre el sis-tema convencional de proteccin.Sinembargo, los estudios en laboratorio tienen el inconvenientede no poder obteneruna correcta extrapolacin de los resultados dePage 9215Instituto de Investigaciones ElctricasBoletn IIE, septiembre-octubre del2001laboratorio con los arcos elctricos de grandes dimensiones, comolosdesarrollados en un rayo natural. Aun cuando estos resultados pudie-ranextrapolarse convenientemente, debern pasar muchos aos (comoen el caso delsistema convencional) para poder emitir juicios correctosrespecto a suoperacin.Adems, cualesquiera de las tecnologas referidasanteriormente,utilizan accesorios como terminales areas, cables de bajada yelectro-dos de tierra, que superan por mucho el costo de los elementosconven-cionales, sin que esto represente un aumento en la seguridad ylaminimizacin del riesgo de dao.Normatividad internacionalTanto la tecnologaESE como la tecnologa CTS han insistido muchopara que sus criterios deproteccin sean avalados y difundidos en lasnormas internacionales.En unesfuerzo por ser incluida en la NFPA, la tecnologa ESE recu-rri a losprocedimientos legales. En 1991 se constituye el Comit TcnicoSobre laProteccin Contra Rayo Utilizando Dispositivos ESE. En 1993 sepropone la normacorrespondiente, conocida como NFPA 781. En el mis-mo ao, la iniciativa seregresa nuevamente al comit tcnico. En 1994 sepresenta una demanda deinconformidad, por lo que la NFPA recurre auna tercera instancia, constituyendoun Consejo Evaluador para lareevaluacin de la tecnologa. En 1995, el Consejodetermina no publicar laNFPA 781 debido a la falta de evidencia en el aumento deproteccin ofre-cido por los dispositivos ESE, por lo que la compaa HearyBrothers tomaaccin penal contra la NFPA. En 1998 se reconsidera nuevamente laeva-luacin y publicacin de la NFPA 781, por lo que el Consejo determinalaintervencin de una tercera instancia para la reevaluacin, a cargo delDr.John L. Bryan. En 1999 y de acuerdo con los resultados del documentoBryan, elConsejo vot por no publicar la norma de proteccin contratormentas con base enlos dispositivos ESE.En el documento Bryan, sin embargo, existen algunos puntosim-portantes que merecen un anlisis cuidadoso. Por ejemplo, el documen-toestablece lo siguiente:a) Los dispositivos ESE tienen bases tcnicas ya que, engeneral, sonequivalentes a las terminales areas convencionales.b)Sin embargo,tanto las terminales areas convencionales como losdispositivos ESE parecen notener una base cientfica slida, deacuerdo a las pruebas de campo bajocondiciones naturales.c) La tecnologa ESE no tiene una base slida respecto alrea deproteccin mejorada o al sistema de conexin a tierra, de acuerdoa suscriterios de instalacin como un sistema completo de pro-teccin.d)Las pruebasde laboratoriorealizadas para los dispositi-vos ESE se consideran conbasesslidas y adecuadas encuanto a cantidad y finalidad,pero estn limitadas encuan-to a que no son equivalentespara una evaluacin bajocondiciones naturalesde ocu-rrencia del rayo.En un caso sin precedente, 17cientficos de 15 pasesmiembrosdel Comit Cientfico de la Confe-rencia Internacional sobre Protec-cincontra Rayo (ICLP por sussiglas en ingls), una de las confe-renciasinternacionales de mayorprestigio en su gnero, establecie-ron su totaloposicin al uso de latecnologa ESE, entregando sus co-mentarios a la NFPA conrespectoa la reevaluacin de la normaNFPA 781.La informacin entregada ala NFPApor parte del ComitCientfico de la ICLP puede con-densarse en los siguientespuntos:1)La operacin de los ESE noha sido probada bajo condi-ciones naturalesde rayo y laspruebas de laboratorio hansido muy limitadas en de-mostrar elaumento en la dis-tancia de proteccin, demos-trando adems que elcom-portamiento de un dispositi-vo ESE y una terminal areaconvencional sonsimilares.2)La norma propuesta por latecnologa ESE no distingueentre losdiferentes tipos dedescargas, lo que indica unclaro desconocimiento desuspropiedades, como corriente,campo elctrico o velocidad.Page 10216Instituto de Investigaciones ElctricasAplicaciones tecnolgicas3)Las pruebasde laboratoriono consideran la enorme di-ferencia que existe con lascondicionesnaturales de ocu-rrencia del rayo y lo que estorepresenta en la evaluacinde lascaractersticas altamen-te no lineales del rayo.4)La posicin de un planocon-ductor imaginario, a una al-tura determinada de la estruc-tura, antes derodar la Esferarodante, cambia totalmenteel campo elctrico originalalrededordel objeto, cam-biando como consecuencia,los criterios de proteccin.5)Debido aque el objetivo fi-nal de la proteccin contratormentas elctricas essalva-guardar la vida de las perso-nas y las propiedades de losinmuebles, elconcepto ma-nejado por los dispositivosESE es insuficiente. Por lotanto, lapropuesta NFPA781 no debe ser aceptada.Con respecto a la tecnologaCTS,actualmente el Consejo deNormalizacin del Institute ofElectrical andElectronicsEngineers (IEEE) ha aprobado unapropuesta para el desarrollo delanorma para la proteccin contratormentas elctricas mediante eluso del Sistemade Transferencia deCarga (CTS por sus siglas en ingls)para instalacionesindustriales ycomerciales. Dicha propuesta tie-ne el nmero P1576.La Asociacinde Normaliza-cin del IEEE es una autoridad ad-ministrativa responsable defacilitarel desarrollo de las normas y de ase-gurar que se desarrollen enformaabierta y transparente y que adems cumplan con el requerimiento decon-senso necesario para estos casos. La diferencia entre el IEEE comoinstitu-cin y la Asociacin de Normalizacin del IEEE es que la primeraestcompuesta por ingenieros calificados o expertos, mientras que la Asocia-cinde Normalizacin est abierta a todos los partidos, ya sean individua-les uorganizaciones.La aprobacin de dicha propuesta en el IEEE ha provocado lareac-cin de un gran nmero de expertos en la fsica del rayo y en laproteccincontra tormentas elctricas, que es muy fcil de entender, ya que loscono-cimientos del rayo indican que es imposible detener su desarrollo porcual-quier objeto, aterrizado o no, a nivel de tierra.El proyecto de normatendr una duracin de cuatro aos, al fi-nal de los cuales tendr que serconsiderado a votacin por el pleno dela Asociacin y personal calificado. Sinembargo, como cualquier lec-tor podr confirmarlo consultando la publicidad delos fabricantes deesta tecnologa, la aprobacin al desarrollo de la propuestaP1576 estsiendo utilizada con fines comerciales, lo que manifiesta una faltadetica por parte de los fabricantes.Aplicacin del sistemaconvencional deproteccinEl Instituto de Investigaciones Elctricas (IIE), a travs de susinvestiga-dores capacitados dentro y fuera de Mxico, ha desarrollado ysiguedesarrollando proyectos de investigacin con el fin de implantar esque-masde proteccin tanto para estructuras ordinarias como para instala-ciones de altoriesgo. As, el IIE a travs de sus proyectos de investiga-cin, de serviciostcnicos especializados, de la informacin contenidaen las normasinternacionales y una estrecha comunicacin y consultacon institutos como elInstituto Nacional de Seguridad contra Rayo deEstados Unidos (NLSI por sussiglas en ingls), el Instituto de Protec-cin Contra Rayo (LPI por sus siglasen ingls) de Estados Unidos y laDivisin de Investigaciones en Electricidad yel Rayo de Suecia (DELRpor sus siglas en ingls) obtiene informacin y participaen la genera-cin, adecuacin e implantacin de los resultados de vanguardia enlaproteccin contra tormentas elctricas, tomando como base elsistemaconvencional para la ubicacin de terminales areas.La proliferacin einstalacin de dispositivos no convencionalesde proteccin contra tormentaselctricas en Mxico ha sido el resulta-do de una falta de normatividad, ya quecada fabricante utiliza sus pro-pios criterios de diseo e instalacin,generando una gran anarqua, conel consiguiente riesgo para losusuarios.Actualmente, el IIE, junto con ms de 8 empresas en Mxico(fabri-cantes, distribuidores, privadas y de gobierno) estn coordinados bajolaAsociacin Nacional de Normalizacin y Certificacin del Sector ElctriPage 11217Instituto de Investigaciones ElctricasBoletn IIE, septiembre-octubre del2001co (Ance) para la elaboracin de una norma mexicana tipo NMX paralaproteccin contra tormentas elctricas de estructuras ordinarias, tomandocomobase la norma internacional IEC 1024-1, 1-1 y 1-2. El objetivo de lanormamexicana es emitir las recomendaciones, basadas en el mtodo de laEsferarodante, para la ubicacin e instalacin de los elementos del sistemaexterno deproteccin, as como las acciones o recomendaciones para elestablecimiento delsistema interno de proteccin. Con esta norma, Mxi-co tendr su primera gua dediseo y recomendaciones para la instalacinde un sistema de proteccin contratormentas elctricas, independiente-mente de la tecnologautilizada.ConclusionesDurante muchos aos, los criterios de proteccin medianteel uso de termi-nales areas de proteccin utilizadas en el sistema convencionalhan sidomejorados a travs de estudios de campo y laboratorio para determinarlacobertura efectiva de proteccin, modificando los ngulos en el caso delmtododel cono de proteccin y relacionando los parmetros del rayopara ladeterminacin de los radios de cobertura para el caso del mtodo dela Esferarodante. La aplicacin de estos criterios ha reducido sustancialmentelos riesgosde dao tanto en instalaciones industriales, comerciales y resi-denciales, comoen el sector elctrico, cuyas caractersticas de trazo y ubica-cin de laslneas de transmisin y distribucin de energa los hace vulnera-bles a laincidencia de rayos.En los ltimos cincuenta aos, la aplicacin de nuevastecno-logas ha permitido nuevamente revivir el tema de proteccin con-tra rayo,proporcionando un nuevo auge y replanteando, con baseen los nuevosdescubrimientos sobre la fsica del rayo, criteriosalternos de proteccin quepermitan ofrecer realmente un aumentoen la cobertura de proteccin.Con laaparicin de las tecnologas ESE y CTS, se han generadoalgunas preguntasrespecto a su operacin y la forma en que dichos disposi-tivos pueden serevaluados para verificar su comportamiento. Mientras tanto,el rayo sigue siendoun fenmeno natural sumamente complejo y el cono-cimiento de sus parmetroselctricos sigue obtenindose en forma paulati-na. Esto representa una severalimitacin para que las nuevas tecnologaspuedan ser totalmente evaluadas comoun medio alterno de proteccincontra tormentas elctricas a corto plazo.Por lotanto, la mayora de las instituciones de investigacin rela-cionadas con laproteccin contra tormentas elctricas han coincididoen enfrentar el reto demejorar los sistemas de proteccin mediante lassiguientes acciones:a) Desde elpunto de vista estadstico y de beneficios a corto plazo,es mucho ms relevantedesarrollar nuevos mtodos de diseopara determinar la distancia deproteccinrelacionada con laszonas de proteccin que pro-poner dispositivos cuyaopera-cin bajo condiciones natura-les es cuestionable.b)Continuar con lasinvestiga-ciones, tanto de laboratoriocomo de campo, con el obje-to deintroducir parmetrosdel rayo adicionales, comopolaridad, carga espacial,vientoy humedad relativasobre el proceso inicial de lamicrodescarga, paso previoaldesarrollo del lder ascenden-te y su impacto tanto en ter-minales areasconvenciona-les como en terminales areascon tecnologas nuevas.c) Continuar conlas observa-ciones del rayo en su desarro-llo natural en lugares con unaelevadaincidencia de rayos,aprovechando la infraestruc-tura correspondiente paraincluirla operacin de termi-nales areas convencionales yno convencionales.d)Condensartoda la informa-cin estadstica sobre el fen-meno del rayo, dndoleuntratamiento efectivo con in-formacin de diferentes luga-res y de diferentesfuentes deinformacin.Con el objeto de darle trans-parencia a los resultados, esnece-sario que dichos estudios, anlisis,pruebas y evaluaciones sean reali-zadaspor instituciones o personasajenas a cualquier organizacin quetenga algnvnculo con fabrican-tes de dispositivos de proteccincontra tormentaselctricas.Page 12218Instituto de Investigaciones ElctricasReferencias Berger K. & R.B.Anderson.Parameters of Lightning Flashes. Electra No. 41, 1976. British Standard BS6651. Code of Practice for Protection of Structures Against Lightning. 1992.Davis N. H. III.The Rolling Sphere Interception Concept. 19thInternationalConference on Lightning Protection, Graz, Austria, 1988, pp. 95-97. Dellera L.&E. Garbagnati. Lightning Exposure of Structures and Interception Efficiency ofAir Terminals. Report of CIGRE Task Force33.01.03 (Interception). 1998. GoldeR. H. Lightning Protection. Butler & Tanner Ltd, London 1973. Golde R. H.Protection of Structures Against Lightning. Proc. Of the Institution ofElectrical Engineers Control & Science, Vol. 115, No. 10,.1968, pp.1523-1529. Hedges, Killinworth. Modern Lightning Condcutors: An IllustratedSupplement to the Report of the Lightning Research Committee of 1905with Notesas The Methods of Protection and Specifications. Crosby Lockwood and Son.London. Horvath T. Computation of Lightning Protection. Wiley & Sons Inc.1991. IEC 61024-1, 1-1 y 1-2. Protection of Structures Against Lightning.General Principles, Guide A and Guide B. 1990, 1993, 1998 respect. IEC 61312-1,-2, -3, -4. Protection Against Lightning Electromagnetic Impulse. GeneralPrinciples. Shielding of Structures, Bonding Inside Structuresand Bonding.Requirements of Surge Protective Devices. Protection of Equipment in ExistingStructures. 1995, 1999, 2000, 1998 respect. IEC 61662. Assessment of the Riskof Damage Due to Lightning, 1996. IEC 61663-1. Lightning Protection Telecommunication Lines. Part 1. Fibre Optic Installations. 1999. Krider E. P.,Lightning Rods in the 18thCentury. Lightning and Mountains 97, ChamonixMont-Blanc, France, 1997, pp.3-9. Lee R. Lightning Protection of Buildings.IEEE Transac. On Industry Applications, Vol. IA-15, No. 3, 1979, pp.236-240.Lemmon, W. S. et al. Specifications for Protection of Buildings AgainstLightning. National Fire Protection Asociation, Quincy, MA. National FireProtection Association NFPA-780. Standard for the Installation of LightningProtection Systems. 1997. Norma francesa NF C 17-100 Protection of StructuresAgainst Lightning. Installation of Lightning Protective System. Preece, W. H.On the Space Protected by a Lightning Conductor Phil. Magazine, Vol. 9, pp.427-430. Report of the Federal Interagency Lightning Protection User Group. TheBasis of Conventional Lightning Protection Technology. Uman M. A. Lightning.Dover Pub. Inc. New York, 1984. Underwriters Laboratories Inc. UL. InstallationRequirements for Lightning Protection Systems. 1994. Schonland, B. F. J.ThePilot Streamer in Lightning and the Long Spark. Proc. Roy. Soc. London, A, 220,25-38, 1953. Van Brunt, R. J. et al. Early Streamer Emission LightningProtection Systems: an Overview. IEEE Electrical Insulation Magazine, Vol. 16,No.1,2000, pp. 5-24.Arturo Galvn DiegoIngeniero electricista y Maestro eningeniera elctrica especialidaden sistemas de potencia por la Escuela Superiorde Ingeniera Mecni-ca y Elctrica del Instituto Politcnico Nacional, en 1984y 1989 res-pectivamente. Doctor en la especialidad de compatibilidadelectro-magntica debido a descargas elctricas atmosfricas por la Universi-dadde Uppsala, Suecia, en el perodo 1996-2000. Se integr al equipodeinvestigadores del Instituto de Investigaciones Elctricas (IIE) en1986, en laGerencia de Transmisin y Distribucin, en donde actual-mente sigue laborando.En 1990 obtuvo el Primer lugar en el 12 Certamen Nacional de Sistemas Elctricosde Potencia con su tesis demaestra y en 1991 obtuvo el Premio al DesempeoExtraordinarioque otorga anualmente el IIE. Ha publicado ms de 30 artculosenforos nacionales e internacionales. Las actividades de investigacinen las queparticipa son la proteccin contra rayo en instalacionesresidenciales,industriales y de alto riesgo de fuego y explosin, pro-teccin en bajo voltajede equipo electrnico sensible y sistemas deconexin atierra.agalvan@iie.org.mxRal Velzquez SnchezIngeniero Electricista por laEscuela Superior de Ingeniera Mecnicay Elctrica (ESIME), del InstitutoPolitcnico Nacional (1974). Maes-tro en Sistemas Elctricos de Potencia en laSeccin de Graduados eInvestigacin de la misma ESIME en 1978. Doctor enFilosofa por laUniversidad de Montreal, Canad en 1984.En 1977 ingres al IIE,donde integr un grupo de especialistas sobreDiseo de Lneas de Transmisin,Subestaciones Elctricas y Redes deDistribucin, grupo que hasta la fechaconstituye la base de la Gerenciade Transmisin y Distribucin del propioInstituto; donde el Dr.Velzquez es actualmente el Gerente. Fue profesor titularB de mediotiempo de la Seccin de Graduados e Investigacin de la ESIME.Es autorde Manuales de diseo de lneas de transmisin que operanen regiones de altaincidencia de tormentas elctricas y de redes de tierraen subestaciones. Coautory editor del Manual de operacin de lasubdireccin de transmisin,transformacin y control de la CFE.Entre 1980 y 1992 fue miembro de los Gruposde Trabajo encar-gados de las Guas 80 y 81 del IEEE, relativas al diseo ymedicin deSistemas de Conexin a Tierra de Redes Elctricas. Es autor de msde50 publicaciones nacionales e internacionales en los temas de suinters y hasido director de ms de 15 tesis de Licenciatura y Maes-tra. Es miembrodistinguido del IEEE (Instituto de Ingenieros enElectricidad y Electrnica) consede en Nueva York.rvs@iie.org.mxAplicaciones tecnolgicas