sistemas de protección frente alrayo (SPCR), se ha visto reforzadapor la edición de las normas UNE21 185 y 21 286, la primera indi-cando los principios generales dela protección de las estructurasfrente al rayo, en corresponden-cia con la norma CEI 61024-1(1990), y la segunda haciendoreferencia al empleo de pararra-yos con dispositivo de cebado(PDC), en correspondencia conla norma francesa NF C 17-102(1995).

Como indican ambas normas,en sus introducciones respecti-vas, ningún sistema de protec-ción contra rayos puede evitar laformación de los mismos, ni re-

El principio de la proteccióncontra rayos está basado en losexperimentos de Franklin y con-siste en atraer la descarga eléc-trica, por medio de un pararra-yos, y proporcionarle un cami-no a tierra de valor bajo de im-pedancia, de manera que la cir-culación de la corriente a tierrase realice sin influencias en laspersonas y bienes, teniendo encuenta que las descargas llevanconsigo, además de las accioneseléctricas, las térmicas y mecáni-cas debidas al alto valor de lacorriente de las descargas.La regulación en España de los

1. Introducción

La protección contra elrayo en la normativaespañola

B. Hermoso Alameda, M.Aguado Alonso

Dpto. Ingeniería Eléctrica y Electrónica.

Universidad Pública de Navarra

P.M. Martínez CidIberdrola

Electricidad

Benjamín Franklin (1706-1790), físico, escritor y políticonorteamericano, creó diversasbibliotecas, un club de debate yuna academia, al tiempo queampliaba sus conocimientos enel campo de la filosofía y de lafísica, en el campo de la electri-cidad, formulando una teoríade la electrostática basada enla existencia de dos clases deelectricidad de característicasopuestas, enunciando el prin-cipio de la conservación de laelectricidad.

Descubrió el carácter eléctrico de los rayos atmosféricos e inven-to el pararrayos

72

73

mayo 99

los PDC la norma UNE 21 186contiene, en su anexo C (ensayoy evaluación de un PDC), el mé-todo a emplear para medir elavance de cebado, en laborato-rios de alta tensión, por lo queestos dispositivos deben ir avala-dos por las certificaciones corres-pondientes del laboratorio acre-ditado que ha realizado la pruebaconforme con el procedimientoindicado por la norma.

Con anterioridad al diseño ymontaje de un SPCR, debe tener-se en cuenta el riesgo que tienela estructura en estudio a ser im-pactada por el rayo y a partir deél estimar el nivel de protección aadoptar. La norma UNE 21 186,en su anexo B, recoge la guía pa-ra estimar este riesgo y el métodode selección del nivel de protec-ción, teniendo en cuenta paráme-tros tales como:

- Número de impactos de rayosen el terreno por año y km2 (Ng).Este valor puede valorarse, si nose dispone de datos actualizados,a partir de expresiones en fun-ción de los niveles ceráunicos(Tc, días al año en que se ha oí-do el trueno, al menos, una vez).

- Nd (frecuencia anual media deimpactos directos de rayos espe-rada en una estructura).

2. Riesgo

presentan una garantía de pro-tección absoluta contra ellos,pero si proporcionan los mediospara reducir, de manera signifi-cativa, los riesgos por daños enlas estructuras protegidas.

Dada la diversidad de estructurasexistentes las propias normasmarcan el alcance de sus conte-nidos, siendo válidos los princi-pios generales en que se apoyan,para aquellas estructuras no reco-gidas directamente en ellas y queaún están pendientes de regula-ción, y así:

- UNE 21 185: su contenido esaplicable al diseño e instalaciónde SPCR para estructuras norma-les de hasta 60 m. de altura, nocubriendo:

• Ferrocarriles.• Sistemas de generación, trans-porte y distribución de energíaeléctrica exteriores a una estruc-tura.• Sistemas de telecomunicaciónexteriores a una estructura.• Vehículos, navíos, aeronaves einstalaciones en el mar.

- UNE 21 186: especifica que sucontenido es de aplicación, aligual que la UNE 21 185, a las es-tructuras corrientes de altura infe-rior a los 60 m. matizando, ade-más de las estructuras corrientes,las zonas abiertas (áreas de alma-cenamiento, áreas de ocio, etc.),para lo que cita algunas estructu-ras en la que son necesarias unSPCR:

• Edificios o zonas abiertas conconcurrencia de público.• Edificaciones de gran altura y,en general, construcciones eleva-das (pilares, depósitos de agua,faros, etc.).• Construcciones y depósitos enlos que se manipulen y/o con-tengan materiales peligrosos (ex-plosivos, inflamables, tóxicos,etc.).• Edificios que contengan equi-pos o documentos especialmentevulnerables o valiosos (instalacio-nes de telecomunicación, ordena-dores, archivos, museos, monu-mentos históricos, patrimonios cul-turales, etc.) y, en general, estruc-

turas utilizadas para fines comer-ciales, industriales, agrícolas, admi-nistrativos o residenciales.

Para conseguir la protección am-bas normas consideran dos siste-mas de protección:

• Sistema externo, que compren-de dispositivos captadores, deri-vadores o bajadas y toma de tie-rra.• Sistema interno, que compren-de los dispositivos que reducenlos efectos electromagnéticos dela corriente de descarga atmosfé-rica dentro del espacio a prote-ger, por medio de las conexionesequipotenciales y las distanciasde seguridad.

Diferenciándose, fundamentalmen-te, en que mientras la UNE 21185, en el sistema externo, con-sidera como elementos capta-dores:

- Varillas o puntas captadoras.- Conductores tendidos o líneascaptadoras.- Mallas de conductores o mallascapatadoras.

La UNE 21 286 hace referencia ex-clusivamente a las puntas capta-doras con dispositivo de cebado(PDC), que proporcionan unavance en el cebado ∆t (µs)), au-mentando su radio de protecciónrespecto a los normales (PR).

Debido a estas características de

CEI 61024/1 Ng = 0,04 Td1,25 UNE 21 186 Ng = 0,02 Td

1,67

Westhinghose Ng = 0,06 Td1,5

Pierce N2g = 0,03 Td + 0,032 T4

d

Popolansky Ng = 14,71 Td1,67 (Europa)

Ng = 14,71 Td1,3 (Tierra)

Tabla I. Valores de Ng

Td/ año 5 10 15 20 25 30 35 40 45

Ng/km2, año 0,3 0,9 1,8 3 4,3 5,8 7,6 9,5 11,5

Valores de Ng UNE 21 186

El valor se estima por la expre-sión:

Nd = Ng . 1,1 .Ae . C1 . 10-6 (2.1)

1,1: Coeficiente de seguridad li-gado a la evolución de los ra-yos.

Ng: Número de impactos de ra-yos en el terreno al año y porkm2.

Ae: Superficie de captura equiva-lente de la estructura aislada(m2)

C1: Coeficiente relacionado conel entorno (Tabla II)

- Ae (Superficie de captaciónequivalente - Superficie sobre elsuelo que tiene la misma proba-bilidad anual que la estructura derecibir el impacto directo del ra-yo).

- Superficies aisladas: Superficiecomprendida entre las líneasobtenidas por la intersecciónentre la superficie del suelo yuna línea pendiente 1:3 que pa-sa por el punto más alto de laestructura y de la vuelta a ésta(Fig. 1).

- Estructuras rectangulares:(Longitud l, ancho a, alturah).

El valor está dado por la expre-sión:

Ae = a . l + 6 h (l + a) + 9 π h2 (2.2)

- Nc (frecuencia anual mediaaceptable de rayos sobre unaestructura). La valoración se ha-ce teniendo en cuenta los con-ceptos que a continuación seindican por medio de los coefi-cientes Ci correspondientes a:

• Tipo de construcción.(C2) Tabla III.

• Contenido de la estructura.(C3) Tabla IV.

• Ocupación de la estructura.(C4) Tabla V.

• Consecuencias sobre el entor-no (C5) Tabla VI.

mediante el coeficiente:

C = C2 . C3 . C4 . C5 (2.3)

expresándose el valor de Nc

74

Situación relativa a la estructura C1

Estructura situada en un espacio donde hay otras estructuras o árboles de la misma altura o más altos. 0,5

Estructura rodeada de estructuras más bajas. 0,75

Estructura aislada. 1

Estructura aislada situada sobre una colina o promontorio. 2

Tabla II

TejadoMetal Común InflamableEstructura

Metal 0.5 1 2

Común 1 1 2,5

Inflamable 2 2,5 3

Tabla III. C2 Coeficiente de estructura

Fig. 2

Fig. 1

Fig. 3Instalación

exterior - interior

75

mayo 99

por la expresión:

Nc = 3.10-3/C (2.4)

- Los efectos de los parámetrosde rayo, tales como:• Opticos.• Acústicos.• Electroquímicos.• Electrodinámicos.• Radiación electromagnética.• Térmicos.

En la etapa de diseño y montajese han de tener en cuenta lossistemas externos e internos,conforme a la disposición de loselementos (Fig. 3); de maneraque, a su vez, se minimicen losfenómenos de inducción por lacercanía entre las bajantes a tie-rra y las estructuras, que puedendar lugar a la formación de bu-cles abiertos con estructuras ta-les como, tuberías de agua, ca-lefacción central, alimentacióneléctrica, etc., teniendo en cuen-ta que para la situación de loselementos captadores es precisoconocer la evolución de la des-carga y manejar métodos talescomo:

- Angulo de protección (a)- Esfera rodante (distancia de ce-bado d(m))- Mallado o retícula (dimensiónde la malla) (Tabla VII).

Derivados de la teoría de los mo-delos electrogeométricos.

3.1. Modeloelectrogeométrico

Con el fin de estudiar el proce-so de conexión entre las descar-gas atmosféricas y las estructu-ras en el suelo, en los años 50 seestableció un modelo matemáti-co, llamado electrogeométrico,de aplicación a las descargas ne-gativas descendentes, basado enla propagación del precursornegativo, representado por unalínea cargada, con leyes varia-

3. Protección

Sin valor o no inflamable 0,5

Valor común o normalmente inflamable 2

Gran valor o particularmente inflamable 5

Valor excepcional, irremplazable o muy inflamable, explosivo 10

Tabla IV. C3 Contenido de la estructura

No ocupada. 0,5

Ocupada normalmente 3

De difícil evacuación o riesgo de pánico. 7

Tabla V. C4 Ocupación de la estructura

Instalación exterior Instalación interior

a) PDC f) conexiones equipotenciales

b) conductores de bajada g) conductor de protección o de equipotencialidad

c) junta de control por conductor de bajada h) barras de equipotencialidad.(manguito seccionador o puente

i) protección contra sobretensionesde comprobación)

d) toma de tierra por conductor de bajada j) puesta a tierra

e) uniones equipotenciales entre tomas de tierra k) borne de tierra

l) conexión directa o vías de chispas

con la descarga ascendente, cu-yo origen está en la estructura oen el terreno, dando lugar a unadescarga de intensidad I, debidoa que el campo eléctrico en lasuperficie de la estructura o delterreno, bajo la acción de la des-carga eléctrica descendente, al-canza un valor crítico, que pro-duce el cebado de la capa de ai-re que separa a ambas descargas(descendente y ascendente) yque una carga descendente Qde 1C da lugar a una corrientede retorno 20 kA.

La distancia de cebado está rela-cionada con la intensidad crestade la corriente de retorno pormedio de la expresión, desarro-llada por el grupo de trabajo33.01 de CIGRE (Fig. 6).

2–d(m) = 10 I 3 (kA) (3.1)

3.1.2. ESFERA RODANTE

En base al concepto de distanciade cebado se aplica el métodode la esfera rodante. Haciendorodar una esfera, de radio el co-rrespondiente a la distancia decebado que se pretende estu-diar, las descargas incidirán enaquellos puntos en que la esferatoca a la estructura o quedan ex-teriores y a más altura del volu-men de la esfera de radio d.

Ya que la distancia de cebadodepende de la intensidad de ladescarga hay que considerar loscasos en que la altura h de la es-tructura es superior o inferior aesta distancia d.

- h > d, quedan zonas de la es-tructura sin proteger, ángulo aigual a cero.- h < d, la esfera toca a la su-perficie formando un ángulo ade protección, variable, por loque es importante conocer, nosolamente si hay muchos o po-cos rayos en la zona, sino el va-lor de la corriente para la que seadopta la protección.

El ángulo de protección (α) sepuede determinar de acuerdocon la expresión

bles según los diferentes autores(reparto uniforme, reparto uni-forme con carga puntual en elextremo del precursor, repartoexponencial), que desciende enlínea recta desde la nube al sue-lo, y en el campo eléctrico indu-cido en las estructuras situadasen la superficie del terreno, queal alcanzar el valor de cebadoproduce la descarga positiva,para finalmente producirse launión de las dos, salvando una

distancia, tanto mayor cuantomayor es la carga del precursornegativo, con conceptos talescomo los expresados en la figu-ra 4.

3.1.1. DISTANCIA DE CEBADO

Distancia máxima (d), medidadesde la parte superior de unaestructura o desde el terreno,que una descarga descendente,de carga Q, salva para unirse

76

Nivel d(m) H(m) 20 30 45 60 Dimensión de protección α α α α de las mallas (m)

I 20 25 * * * 5

II 30 35 25 * * 10

III 45 45 35 25 * 10

IV 60 55 45 35 25 15

(*) Se emplea la esfera rodante y la malla en estos casos.

Tabla VII. UNE 21 185 Tabla I. Colocación del dispositivo captador

Sin necesidad de continuidad en el servicio y alguna 1consecuencia sobre el entorno

Necesidad de continuidad en el servicio y alguna consecuencia sobre el entorno 5

Consecuencias para el entorno. 10

Tabla VI. C5 Consecuencias sobre el entorno

Fig. 4.Evolución dela descarga

77

mayo 99

d – h hsen α = –––––– = 1 - ––– (3.2)

d d

siendo tanto mayor el ángulo deprotección, para una altura h dela estructura, cuanto mayor es ladistancia de cebado (d), y dismi-nuyendo conforme la descarga esde menor intensidad, según pue-de verse en la Tabla VIII que co-rresponde a una estructura de 20m. de altura.

La aplicación del método a unaestructura compuesta y dotada deun pararrayos, permite observarlas zonas suceptibles de ser im-pactadas y las zonas protegidas,así como establecer las puntascaptadoras que pueden disponer-se para la protección completa dela estructura, teniendo en cuentaque cuanto menor sea la descar-ga que se presente, menor será elradio de la esfera, aumentando eltamaño de la zona susceptible deser impactada, siendo de consi-derar los impactos laterales quese pueden producir en los para-mentos verticales (Fig. 8).

Aunque las líneas de transportede energía están fuera del alcan-ce de las normas, no lo están losprincipios de los modelos elec-trogeométricos, por lo que unaaplicación de los mismos al Re-glamento de Líneas Aéreas deAlta Tensión en su art. 9 (cablesde tierra), que indica que cuan-do se empleen cables de tierra

Fig. 5.Distancia

de cebado

Fig. 7. Angulos deprotección

Fig. 6.

I(kA1.0005.000

10.00020.00030.00040.00050.00060.00070.00080.00090.000

100.000150.000200.000250.000300.000350.000

d(m)10.00029.39746.77474.42097.650118.41137.50137.50172.27188.40203.86218.78287.07348.09404.22456.74506.44

para la protección de la línea, serecomienda que el ángulo queforma la vertical que pasa por elpunto de fijación del cable detierra con la línea determinadapor el punto y el conductor, noexceda de 35°, nos indica que,de acuerdo con la expresión:

d – H Hsenα= –––––– = 1 - –– α = 35 ⇒d d

H⇒ 0,574 = 1 - ––– (3.3)d

d = 2,345H

una torre de transporte de 30 mde altura, estaría protegida paradescargas iguales o superiores a18,659 kA, siendo necesario dis-minuir el ángulo de protección sien la zona las descargas son infe-riores (5 - 10 kA)(Tabla IX, Fig. 9).

- Disponer de un sistema deprotección contra rayos no ga-rantiza la protección absoluta depersonas, estructuras u objetos;pero la aplicación de normas re-duce de forma significativa elriesgo de los daños producidos.

- A la hora de adoptar un siste-ma de protección contra el rayoes necesario calcular el riesgode la estructura.

- Los modelos electrogeométri-cos son herramientas útiles paradeterminar la protección contrarayos de las estructuras, siendoimportante conocer las intensi-dades de la zona donde han decolocarse las protecciones.

[1] “Lightning proteccion code”.ANSI/NFPA 78 (National Fire ProtectionAssociation).

[2] Bonamy A. y Ott, R. “La protection desinstallations au sol contre les effets de lafoudre”. EDF - DER, 1994, HM-25/94/013/A, (1994).

5. Bibliografía

4. Conclusiones

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h(m) d(m) I(kA) α

20 10 1 -

20 29,397 5 18,64

20 46,774 10 34,92

20 74,42 20 46,86

20 97,65 30 52,67

Tabla VIII.

H(m) d(m) I(kA)

15 35,175 6,5971

20 46,9 10,157

25 58,625 14,195

30 70,35 18,659

35 82,075 23,513

Tabla IX.

Fig. 8. Esfera rodante

Fig. 9. Esfera rodante

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