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Descargas Atmosféricas

Mas que una

publicación es una

enseñanza… Anthony Mejías

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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:

dos iniciados en las nubes

dos 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.

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.

Instrumento cuyo objetivo es atraer

un rayo ionizando el aire para excitar, llamar y

conducir la descarga hacia tierra, de tal modo

que no cause daños a las personas o

construcciones.

Fue inventado en 1753 por Benjamín Franklin.

El primer modelo se conoce como pararrayos

Franklin, nombre otorgado en homenaje a su

inventor.

Un sistema de protección contra descargas

llamado de pararrayos debe cumplir con lo siguiente:

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.

El 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.

Para la adquisición de cualquier pararrayos en

general no olvides visitar PROINE-X

Sistema 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.

Aunque se debe notar que los rieles de los

elevadores no deben ser usados como el conductor

de bajada de los pararrayos, la NOM-001-SEDE-

1999 permite que se unan al sistema de pararrayos.

La protección contra rayos es tan compleja que

va más allá de la simple instalación de un

pararrayos o de un circuito de protección.

Para poder derivar sin problemas la gran energía

de un rayo es preciso responder a altas

exigencias en cuanto a las instalaciones

eléctricas de edificios, facilitando una

derivación segura del rayo al subsuelo. Por este

motivo se disponen en los edificios instalaciones

de protección.

Hasta hace relativamente poco tiempo, poco se

podía hacer para minimizar los riesgos que se

producían por la caída directa de un rayo.

Cuando ocurrían y donde ocurrirán descargas

eléctricas atmosféricas.

Tradicionalmente, la protección contra rayos ha

pretendido atraer y desviar la energía de una descarga

eléctrica atmosférica hacia la tierra física. Al mismo

tiempo que esto puede eliminar algunos de los graves

efectos de un impacto directo, resultan otras

desventajas y serios inconvenientes.

Ninguno de los sistemas tradicionales son 100%

efectivos, y todos ellos son afectados por los efectos

secundarios en relación a la proximidad con los

campos electrostáticos y campos electromagnéticos.

Todos ellos son peligrosos, especialmente, en áreas

donde se manejan productos inflamables o explosivos y

equipos electrónicos.

Se puede establecer una clasificación de tres

niveles de protección contra los efectos de los

rayos tanto efectos directos como

secundarios:

Protección primaria: El nivel primario está

constituido por los sistemas de pararrayos,

terminales aéreos, estructuras metálicas,

blindajes y tomas de tierra.

Protección secundaria: Este nivel de

protección es el necesario a nivel de la

alimentación del equipo o sistema.

Protección terciaria: Este es a nivel de líneas

de datos y transmisión, tarjetas de circuito

impreso y componentes electrónicos, también

se le denomina protección fina.

Efectos producidos por la caída de un Rayo

Los rayos son señales eléctricas de alta

frecuencia, gran potencial y alta corriente, por

ello, son causa de interferencias en sistemas

electrónicos. Por ello, para dirigir a tierra las

descargas atmosféricas se requiere de las técnicas

para señales en altas frecuencias.

Cuando cae un rayo en una instalación siempre buscará

el camino a tierra de más baja impedancia y por él

circulará hasta tierra. Si el conductor tiene algún equipo

eléctrico conectado a un equipo y es atravesado por esa

corriente, muy probablemente será destruido. Si bien la

caída directa del rayo es la más devastadora, también es

la más improbable.

Efectos secundarios producidos por la caída de un rayo

La carga electrostática

Los pulsos electromagnéticos

Los pulsos electrostáticos

Las corrientes de tierra

Los efectos directos de un rayo son la destrucción

física causada por el impacto de los que pueden

resultar incendios. Cuando un impacto directo golpea

una instalación donde hay materiales combustibles,

pueden estar expuestos al rayo, al canal del rayo o al

efecto de calentamiento del rayo, produciéndose

importantes incendios.

Estándares de Protección

En Europa En EE.UU

donde caen menos rayos que en los países

latinoamericanos se ha debatido mucho

sobre los métodos de protección, tanto así

que en misma Europa permanecen los dos

estándares de protección, el llamado

Franklin/Faraday, que es el tradicional, y

el de puntas de inicio (early streamers en

inglés)

el estándar aprobado por la asociación contra

el fuego (NFPA) es el Franklin/Faraday y, se

conoce como NFPA-780. El otro, no fue

aceptado como parte del estándar, ya que se

considera de efectividad igual que una punta

del tipo Franklin.

Protección de Estructuras y Edificios

Se clasifican en varios aspectos:

Se ha podido notar 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

Protección de Torres de Comunicación

Variaciones considerables existen en la forma de

como 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

Protección de Aboles

Los árboles que crecen aislados o que tienen

una altura tal que sobrepasan cualquier

estructura, son un blanco de las descargas

atmosféricas. Por ello, para esos casos se

recomienda protegerlos como si fuesen una

estructura.

Protección de Líneas

Aéreas de Energía Eléctrica

La probabilidad de que un rayo caiga en una torre de

transmisión, ha sido ampliamente estudiada y, se han

obtenido las siguientes ecuaciones empíricas de los

resultados encontrados. Las líneas aéreas reciben

descargas por 100 km de línea, según la relación

empírica encontrada por Eriksson

La protección contra descargas atmosféricas de líneas

aéreas de energía eléctrica se logra colocando un hilo

puesto a tierra sobre ellas, llamado hilo de guarda y,

mediante apartarrayos. El ángulo de protección

obtenido al colocar un hilo de guarda es de 30 grados

siempre y cuando el hilo se conecte a una tierra de baja

resistencia 25Ω o menos. Hay que notar que esta

protección no protege a los equipos.

Protección de Subestaciones Eléctricas

Las subestaciones de potencia son protegidas por

puntas pararrayos colocadas sobre las

estructuras, y por los hilos de guarda de las líneas

que rematan en la subestación. Los hilos de

guarda están conectados directamente a la malla

de tierra de la subestación.

En el caso de las estructuras metálicas tipo rejilla

(lattice), la mismas estructuras forman una jaula

de Faraday de protección.

Protección de Equipos

Eléctricos de Media y Alta Tensión

Ente estos equipos de

encuentra el apartarrayo

estos aparatos eléctricos

son los que dirigen a tierra

los sobrevoltajes, deben

colocarse uno por fase y

Las descargas estáticas producen en los

conductores una onda de sobrevoltaje viajera

en los dos sentidos, en su viaje a tierra.

lo más cerca posible del equipo a proteger,

como transformadores, interruptores,

reguladores de voltaje, etc. para ser mayor su

efectividad.

Cuando esta onda llega a una discontinuidad en el

circuito, que puede ser un ramal sin uso, la onda de

voltaje se refleja y en ciertos lugares puede llegar a ser de

hasta del doble de la amplitud original

Redes de Monitoreo Atmosférico

Para cualquier análisis de ingeniería se requiere del

número de descargas por unidad de tiempo y unidad

de área, o la densidad de descargas (GFD por las

siglas en inglés de Ground Flash Density) regional

expresada normalmente como un promedio

anual. Este parámetro se puede obtener localmente

utilizando contadores de descargas o cualquiera de las

versiones de los sistemas de localización de rayos

comerciales.

Los contadores de descargas están limitados a

unos kilómetros, mientras que los sistemas de

localización pueden obtener datos de áreas mucho

más grandes. Los sistemas utilizan un número

finito de antenas remotas para detectar los campos

eléctrico y magnético al tiempo de la descarga, y,

de estos datos se puede determinar el lugar de la

descarga sistema de Puesta a Tierra

El pararrayos por sí solo no sirve como protección

contra los rayos. Ha de ser conectado a tierra, un

correcto diseño del sistema de puesta a tierra es

fundamental para asegurar la correcta conducción de

la descarga eléctrica del rayo. Para ello, debemos

asegurarnos que el conjunto del sistema de puesta a

tierra tiene una resistencia menor de 10 W , así como

asegurarnos de que no existan bucles que produzcan

tensiones inducidas.

Esto es una publicación informativa para los clientes, profesionales y empresas del sector

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