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8/10/2019 Descargas atmosfricas.pdf

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1 - INTRODUCCINEntre otros fenmenos climatolgicos podemos sealar aumento progresivo de las

tormentas, as como de la actividad elctrica asociada a ellas.Evidencia de esa actividad son las ms de aproximadamente 40000 tormentas quese producen en el mundo, la consecuente actividad elctrica reflejada por la cadade aproximadamente 100 rayos por segundo 3000 millones rayos/ao. Comoconsecuencia del cambio climtico esa actividad ha ido creciendo paulatinamente ycontina con esa tendencia a causa del cambio climtico.

2 - EL RAYO

- Forma de manifestacin de energaEl rayo es una manifestacin de energa elctrica a producida a causa de la

acumulacin excesiva de cargas elctricas, configurando una carga electroestticaque es generada progresivamente en una nube durante la formacin de unatormenta. En una fraccin muy pequea de tiempo (menor a un milisegundo) laenerga electroesttica acumulada en la nube se transforma en una descarga(corriente elctrica) portante de tres componentes energticos:

- componente de energa electromagntica, que produce una luz muy intensa yprovoca interferencias electromagnticas que se denomina ruido.

- componente de energa acstica, que escuchamos y denominamos trueno- componente trmica (calor) que podemos observar o detectar bajo la forma de

propagacin de fuego o incendio.

El fenmeno se produce en forma aleatoria entre nubes, entre nube y tierra o entretierra y nube, a partir de una diferencia de potencial elctrica, comprendida entre 10y 45 kV, establecida entre dos puntos o zonas de influencia de diferente polaridad eigual potencial.

- Formacin de la descargaLa descarga, que llamamos rayo, se inicia a partir de la existencia de un campoelctrico generado por la diferencia de potencial de origen electrosttico generadapor la distribucin de cargas elctricas. Ello lleva a producir una intensidad de campo

elctrico suficientemente elevada como para hacer que un primer electrn escape dela estructura atmica y que impulsado por ese campo elctrico colisione con otrostomos, ionizando a los mismos, generndose un efecto acumulador exponencial deuna gran cantidad de electrones libres que integrarn la corriente elctrica del rayo.A este proceso se lo conoce con el nombre de gua escalonada y es el iniciador delfenmeno.De las colisiones resulta una emisin de energa que se manifiesta bajo la forma deluz y al mismo tiempo el aire cambia sus caractersticas, tornndose en un medioconductor crendose un canal conductor al que se lo denomina canal ionizado.


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- Intensidad de la descargaLa intensidad de la corriente del rayo es variable y depender de:- el momento crtico de la ruptura dielctrica del aire que se encuentra entre los

dos puntos por donde se establecer esa transferencia de carga es decir, lacorriente.

- de la facilidad de transporte de la energa en ese medio.- de la capacidad de absorcin o disipacin de la zona de impacto en tierra.

Si bien como valor medio para la corriente elctrica generada en un rayo se adoptaun valor comprendido entre 25 y 30 kA, se han medido valores muy superiores,alcanzando 100 k A o mayores.El aire no es un aislante perfecto y su rigidez dielctrica antes de la ruptura es de3kV /mm variando ese valor con la altura, la humedad, la presin atmosfrica, elgrado de polucin atmosfrica y nivel de radiacin electromagntica de origennatural o no.Al alcanzar el punto de contacto en la superficie (pararrayo, rbol, estructura

metlica, etc.) la corriente genera una diferencia de potencial elctrica y su valorresultar directamente proporcional a la resistencia elctrica que presenten losconductores que transporten la corriente de la descarga del rayo. Esta diferencia depotencial de carcter temporal (desaparece cundo desaparece la corriente dedescarga) pude ser evaluada aplicando la ley de Ohm.Por ejemplo, supongamos que el impacto de rayo se genera en el pararrayos y sisuponemos que la intensidad de la descarga alcanz 20 kA y como valor de laresistencia que presenta el conjunto de la puesta a tierra (pararrayo, conductor debajada y jabalina de puesta a tierra) consideramos el recomendado por lasreglamentaciones es decir 5 Ohm, la diferencial de potencial que apareci en elcable de tierra del pararrayos alcanzo un valor de 100.000 V.

- Valor de la energa transmitida por un rayoLa energa transferida por el rayo, est directamente asociada al tiempo de duracindel rayo y si consideramos a ese tiempo del orden de 100 s (microsegundo) para elcaso que se trata esa energa valdra:

E (W.s)= U(V).I(A).t(s)=100000 x 20000 x 100x10-6

E (W.s) = 100 x 20 x 100 = 200000 Ws = 200 kW.s

E = 200 kW.s

valor equivalente a la energa consumida por segundo, por un conjunto de 5000lmparas incandescentes de 40 W cada una.

- Sentido de la descargaEl sentido de la descarga del rayo es, generalmente, un 80% de la nube hacia latierra (rayos negativos), el 10 % son descargas ascendentes de la tierra a nube(rayos positivos) y el resto entre nube y nube o dentro de la misma nube, fenmenoal que se denomina relmpago.Las descargas de los rayos positivos suelen ser de mayor intensidad y de causar

efectos ms destructivos que los negativos.


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- Tipos de descargas

- RayosDescarga entre nube y tierra

- Rayos difusos:Se presentan como un resplandor que ilumina el cielo. Son reflejos en el cielo deuna tormenta muy lejana, localizada bajo el horizonte, cuyas descargas no se ven ycuyos truenos no se escuchan. Muy frecuente de observar en las zonas tropicales.

- Rayos laminaresSon resplandores que resultan de la descarga dentro de la nube, entre las cargas

positivas y negativas, acumuladas en la misma.


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- Zona de impactoNo se puede garantizar cual ser la zona de impacto del rayo una vez formado. Latrayectoria del rayo puede ser catica y para establecerla siempre predominarn losambientes cargados elctricamente.Estudios del campo elctrico atmosfrico en tierra determinan que la distribucin de

cargas en tierra es variable, lo cual causa que se generen impactos de rayoslaterales, con distancias del orden de 10 km entre los puntos de contacto.

- Influencia del terrenoUna vez formado el rayo, su impacto es independiente de las caractersticas delterreno. Estudios sobre la densidad de impactos de rayos en funcin del tipo deterreno concluyen que el rayo puede incidir en cualquier lugar del sueloindependientemente de sus caractersticas conductivas (resistividad, temperatura ygrado de humedad).

- Nivel de riesgo de los rayos (Nivel cerunico)

El nivel de riesgo de rayos se llama nivel cerunico y se mide por el nmero de dasde tormentas con la actividad de al menos un rayo (tormenta / ao / km2).Estos niveles de riesgo slo son de referencia, pues suelen ser muy variables;algunos niveles se mantienen durante ms tiempo que otros por las caractersticasdel contexto ambiental.Las lneas isocerunicas son lneas que, en un mapa cerunico nos indican lugaresde igual nivel de riesgo.

- Nivel de densidad de rayosNo se debe confundir el nivel de riesgo de rayos reflejado en un mapa cerunico conel nivel de densidad de rayos. El nivel cerunico no determina si una zonageogrfica tiene ms o menos actividad de impactos en el suelo.Los mapas de densidades de rayos, se confeccionan a partir de la medicin de lacantidad de impactos en una determinada zona geogrfica.

3 - EFECTOS DEL RAYO- Efectos elctricosDurante la descarga del rayo se producen fenmenos de induccin y acoplamientoselectromagnticos en las lneas de transporte de energa elctrica y en lneas detelecomunicaciones.Los efectos del rayo durante su descarga pueden ser directos o indirectos a causa

de:

- Cargas electrostticas durante la formacin de la gua escalonada.Al momento de generarse una nube cargada, sobre la tierra se establece ladenominada sombra elctrica.Ello genera un campo elctrico y produce el denominado efecto de punta en la partems alta de las instalaciones.Este efecto visualmente se detecta debido a la produccin de chispas que rodean alos elementos expuestos a la sombra elctrica (Fuegos de San Telmo).En el caso de una punta de pararrayos, las cargas electroestticas generaninterferencias y ruidos que se pueden acoplar en las lneas de datos o seales de TV

y radio.


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Durante la aparicin de este fenmeno, por el cable de puesta a tierra del pararrayoscircularan corrientes elevadas, pues para que aparezcan esas chispas, comoconsecuencia de la ionizacin del aire circundante debi existir sobre la punta delpararrayos, como mnimo un potencial cercano a 1500 V para producirlo.Si se aplica la Ley de Ohm y tomamos como referencia un valor de 1500 V y

consideramos una resistencia de la puesta a tierra del orden de 10 Ohm, resultarque deber haber circulado una corriente de 150 A.

- Pulsos electrostticos.Los pulsos electroestticos son fenmenos atmosfricos de carcter transitorio decorta duracin que aparecen debido a la variacin brusca del campo electroestticopresente en la zona durante la tormenta.Sus efectos se transforman en pulsos y todo aquello que se encuentre suspendidoen el aire bajo la sombra elctrica, se cargar con una tensin proporcional a laaltura a que se encuentra y al valor del campo electroesttico presente.Por ejemplo para una lnea telefnica area suspendida a 10 metros de altura,

pueden aparecer tensiones de 100 a 300.000 voltios con respecto a tierra.

- Pulsos electromagnticos.En el instante mismo del impacto del rayo en un pararrayos o en un elementocualquiera, al establecerse la corriente se genera un arco elctrico permitiendo quela corriente de descarga as establecida genere un alto campo electromagnticoproporcional a la corriente; ese campo es irradiado transmitiendo energa bajo laforma de un pulso electromagntico a la velocidad de la luz.Ese pulso de energa electromagntico est en condiciones de inducir en equipos yconductores tensiones y corrientes, que pueden provocar la destruccin, falla o malfuncionamiento de los mismos, dependiendo ello de la intensidad del campoelectromagntico generado y la distancia a que se encuentran del origen del pulso,los equipos alcanzados.

- SobretensionesEl impacto de rayos directos sobre los cables areos, genera una onda de tensin,de amplitud elevada, que se propaga sobre la red creando una sobretensin de altaenerga.Resulta as que, de no tomarse medidas preventivas podr ocurrir la destruccin dematerial, el envejecimiento prematuro de los componentes, el mal funcionamiento delos equipos conectados a la red y otros accidentes.

- Tensiones de paso durante el impacto de rayoPor su parte, la corriente de la descarga del rayo conducida a tierra mediante unconductor produce una sbita elevacin de potencial, la cual es funcin del valor deesa corriente y del de resistencia elctrica que presente ese circuito.Por ejemplo, si tomamos un valor medio de la corriente de un rayo al impactar atierra de 20 kA y un valor de la resistencia de la toma de tierra de 10 Ohm, entoncesaplicando la Ley de Ohm resultar que al momento del impacto, en el punto decontacto con tierra el potencial ascender a un valor de 200 kV.Los efectos de esta sbita elevacin del potencial elctrico en el punto de impacto sepropagarn por la tierra creando una distribucin de potencial de tipo hiperblico.


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Definiendo como tensin de paso a la diferencia de potencial sobre la superficiemedida entre dos puntos distantes un metro (Up), podemos expresar la formula de latensin de paso segn:

Up = Up = Up1 Up2 = I./ [ 6,28.d.(d+1)]

donde: = Resistividad electrica del terreno (ohm.m)I = Corriente de impacto (A).d = Distancia entre el punto donde se quiere determinar la tensin de

paso y el punto de ubicacin del electrodo de captacin(m)

De esta forma, sobre la superficie se genera una distribucin de potencial tal que,respecto del punto de toma de tierra, dar como resultado para un terreno deconductividad del orden de 50 (ohm.m) la existencia de una tensin de paso enfuncin de la distancia respecto del punto de impacto segn:

Distancia d(m) Terreno con = 50 .m Terreno con = 150 .m1 80000 240000

5 5300 15900

10 1450 4345

15 665 1990

20 380 1140

25 245 735

30 171 515

V

d

d

1 < 2

2

1

A B

v

Los equipos que no estn conectados a la misma toma de tierra, tendrn el riesgode que les aparezcan arcos elctricos que saltaran entre masas de diferentepotencial durante el instante de la descarga del rayo cercano.

- Otros efectos

En funcin de la intensidad de descarga del rayo las tomas de tierra no llegan aadsorber la totalidad de la energa descargada en el corto tiempo de duracin de la


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descarga.Este fenmeno puede generar por un lado, tensiones de paso peligrosas por sumagnitud y tiempo de permanencia y por otro que, la elevada corriente que pasa atierra por medio del electrodo de tierra a la tierra fsica, en ese momento al crear unintercambio de iones o electrolisis natural entre el material del electrodo y el material

de la tierra fsica, genere una cristalizacin de la misma.Por otra parte cada descarga de rayo, evapora el agua que contiene la tierra a sualrededor, desmejorando el valor de la resistencia propia de la toma de tierra.Con el tiempo los electrodos que se utilizan como puesta a tierra, llegan adesaparecer, ya en su primer ao de vida, pierden contacto fsico con la tierra y sucapacidad de transferencia disminuye peligrosamente a causa de la oxidacin.Por ello se debe considerar que todos los elementos y puntos de contacto a tierraque integran el sistema tienen diferentes comportamientos elctrico, ya que la propiaresistencia como conductor elctrico puede variar considerablemente en funcin delas condiciones que lo rodean (humedad, temperatura, contaminacin qumica, etc.)y por lo tanto establecer un plan de mantenimiento y revisin anual de las tomas de

tierra para garantizar una buena absorcin de la energa descargada por el rayo.

- Valores caractersticos del rayoTensin entre nube y un objeto a tierra: 1 kV a 1000 kV.Intensidades de la corriente de descarga: 5 a 300 KAGradiente de la descarga (di/dt): 7 kA/s a 500 kA/sDuracin de la descarga: 10 s a 100 ms.Temperatura: mayor a 20000 CPropagacin: 340 m/s.Diferencia de potencial electrostticapor metro de elevacin sobre la superficie de la tierra: 10 kV.

4 - EFECTOS DEL RAYO SOBRE EL SER HUMANO

Los impactos directos, es decir cuando el rayo impacta sobre la persona y esta hacede conductor de la corriente del rayo a tierra son generalmente mortales.Pero tambin, sin impactar directamente sobre las personas, el rayo puede provocarefectos cuando la misma se encuentra cerca de la zona de influencia del rayo quepuede estar comprendida entre 100 y 200 metros del punto de impacto.

En este caso las afectaciones pueden ser:

- Quemaduras en la piel.- Rotura del tmpano.- Lesiones en la retina.- Cada al suelo por onda expansiva.- Cada al suelo por agarrotamiento muscular debido a una tensin de paso

ligera.- Lesiones pulmonares y lesiones seas.- Estrs post-traumtico


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- Muerte por:

Paro cardiaco.Paro respiratorio.Lesiones cerebrales.

5 - SISTEMAS DE PROTECCIONA mediados del siglo XVIII, Benjamn Franklin (1706-1790) realiz los primerosexperimentos que mostraron una relacin entre el rayo y los arcos elctricosobservados en laboratorios.Franklin prob la naturaleza elctrica de los rayos y tambin concluy que la partebaja de las clulas de tormenta estn generalmente cargadas elctricamente.Analiz lo que suceda en un conductor en forma de punta conectado a tierra,creando as el pararrayos.

Tiposde pararrayos

- Tipo FranklinSe basa en la teora del efecto punta, es decir, que las cargas se acumulan en laspartes puntiagudas de un conductor y los campos elctricos son ms intensos all.Por lo tanto, las descargas elctricas se dirigen a la punta del pararrayos, el puntoms alto.Existen dos tipos fundamentales.

- Tipo de puntas, llegando disponer de hasta cinco puntas.

- Tipo bayoneta.


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-Tipo radioactivoContiene una caja con una pequea cantidad de un istopo radioactivo cuyo fin esionizar el aire circundante. Los iones que se producen favorecen el camino que hade seguir la gua. Su rea de proteccin es una semiesfera de unos 200 metros deradio que cae hasta el suelo en forma de cilindro. Por razones de seguridad se dejo

de utilizar.

-Tipo piezoelctricoSe basa en el fenmeno que presenta el cuarzo, que al ser presionado produce unadescarga elctrica entre dos electrodos (como el Magiclick).En este caso, la fuerza es producida por el viento al actuar sobre el vstago delpararrayos, por lo que funciona mejor cuanto ms fuerte sea el viento

-Tipo in coronaEs ms eficaz que el radioactivo y no genera una ionizacin peligrosa a la salud delas personas que viven en la zona.

Consiste en dos electrodos entre los cuales se producen descargas elctricas y unapequea luminosidad (efectocorona). Necesita energa elctrica para el ionizador.

6 - SISTEMAS DE PARARRAYOS

-Pararrayo simple

Se trata de una instalacin compuestapor un nmero pequeo de pararrayos

que se encuentran vinculados entre siy conectados a una o dos puestas atierra.Normalmente se ubican en el punto msalto del lugar a proteger (Tanque deagua, cumbrera de un edificio, etc.)

- Jaula de Faraday

Se basa en el fenmeno descubierto por elfsico ingls Michael Faraday (1791-1867).Si rodeamos un ambiente con una lminaconductora, el campo elctrico externoredistribuye los electrones libres en elconductor, dejando una carga positiva netasobre la superficie externa en algunasregiones y una carga negativa neta en otras.Esta distribucin de carga ocasiona uncampo elctrico tal que el campo total en

todo punto del interior es cero.


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En este caso un conjunto de un gran nmero de pararrayos, es distribuido sobre unagran superficie y el conjunto se encuentra vinculado a un conductor llamadoperimetral, el cual es vinculado a tierra en varios puntos de su recorrido. Se empleaen edificios de gran extensin.

Un ejemplo de instalacin:

Zona de cobertura o de proteccin

Se denomina as a la zona sobre la superficie que constituye la base de un conocuyo vrtice lo constituye la punta del pararrayos.

La zona de proteccin est contenida dentro de un cono de altura h y radio igual al


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de la base b siendo un valor comprendido entre h y 1,5*h

En el caso de los pararrayos del tipo activo,

la zona de proteccin est contenida en unasemiesfera de un radio comprendido entre100 y 200 m.

7 - NORMAS DE APLICACIN

Las normas actuales de pararrayos, no ofrecen una garanta de proteccin total.El contenido de la norma, en general, define cmo efectuar una instalacin depararrayos y que elementos emplear y tiene como objetivo salvaguardar la vida delas personas y animales junto a sus propiedades y en mayor o menor grado, seacepta que no existe una proteccin absoluta contra el rayo, sino slo unaproteccin adecuada.

Por ejemplo la norma de aplicacin en Gran Bretaa BS 6651 expresa:Esta gua es de naturaleza general....Se pone nfasis en que, a un cuando se suministre proteccin, el riesgo de daos a

las estructuras a proteger, existe.La norma del Comit Electrotcnico Internacional IEC 61024 -1 Parte uno: PrincipiosGenerales expresa:Un sistema de proteccin contra el rayo, diseado e instalado conforme a estanorma, no puede garantizar una proteccin absoluta a estructuras, personas uobjetos; sin embargo, el riesgo de daos causado por el rayo a estructurasprotegidas ser reducido significativamente mediante la aplicacin de esta norma.La norma NFC-17102, de aplicacin en Francia, pas donde se han efectuadomuchas y diversas investigaciones sobre el rayo y sus efectos expresa en suintroduccin:Una instalacin de proteccin contra el rayo concebida y realizada conforme a la

presente norma, no puede, como todo proceso en el que intervienen elementosnaturales, asegurar la proteccin absoluta en las estructuras, de las personas o delos objetos....En nuestro pas las normas IRAM al respecto responden al criterio del IEC y lasvigentes en este momento son:

IRAM 2184 - Proteccin de estructuras contra descargas elctricas atmosfricas(Rayos)

IRAM 2425 - Riesgos de daos producidos por las descargas elctricasatmosfricas.

IRAM 2426 - Pararrayos con dispositivos de cebado para la proteccin deestructuras y de edificios.

IRAM 2428 Pararrayos tipo Franklin y sus accesorios.


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