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En esta revista hablaremos de las causas y prevenciones de una descarga atmosferica...
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DESCARGAS
ATMOSFÉRICAS
RAYOS Y
PROTECCIONES
Realizado por:
Carlos pacheco
DESCARGAS ATMOSFÉRICAS
Introducción
Se estima que en nuestro planeta existen simultáneamente unas 2000 tormentas y
que cerca de 100 rayos descargan sobre la Tierra cada segundo. En total ello
representa unas 4000 tormentas diarias y unos 9 millones de descargas
atmosféricas cada día. Las descargas atmosféricas son impredecibles. En tan sólo
millonésimas de segundo los rayos pueden descargar intensidades de 200 kA
(ocasionalmente 500 kA).
La descarga eléctrica atmosférica, popularmente conocida como “rayo”, es un
fenómeno natural observado y temido por el ser humano desde el mismo
comienzo del uso de la razón por parte de la especie. Por el ambiente donde
ocurren los rayos, la atmósfera terrestre y por las causas que les dan origen, ellos
presentan las características propias de un fenómeno climático, es decir con
estacionalidad del momento del año en el que pueden ocurrir con mayor
probabilidad, pero con mucha variabilidad en cuanto a tipo, cantidad o intensidad
de sus descargas. En términos generales podemos afirmar que el rayo es un
fenómeno frecuente e inevitable como el viento, la lluvia o la nevada.
Que es una descarga atmosférica?
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: 2 iniciados en las
nubes, y 2 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. El rayo es una descarga eléctrica entre dos zonas de polaridades opuestas,
la nube y el suelo por ejemplo. Resulta que una corriente muy elevada está
generada durante unos microsegundos con un impacto generador de efectos
secundarios que cubren una zona destructiva mucho más grande que la descarga
en sí.
Tipos de descargas
Una descarga eléctrica en el aire de la atmósfera puede ocurrir dentro de una
misma nube, o de una nube a otra, en este caso la identificamos como intra nube.
Si la descarga tiene lugar entre la nube y el suelo toma el nombre de “rayo”. Existe
la posibilidad que la descarga ocurra en un sentido o en el otro y que la carga
migrante pueda ser positiva o negativa. Sin embargo, por opinión concordante de
distintos autores, entre las descargas nube a suelo, hay prevalencia de las que
transportan carga negativa. Se considera que sólo 10 % de los rayos son del tipo
positivo es decir transportan carga eléctrica positiva. A los fines de lograr
protección contra los efectos destructivos o dañinos para las instalaciones,
conviene orientar los estudios a los rayos antes que a otros tipos de descargas.
Descripción de la descarga
Considerando la nube cargada negativamente con respecto al suelo, una vez
alcanzados los valores suficientemente altos de la intensidad de campo eléctrico
en V/m, dentro de la nube de tormenta se inicia una descarga precursora (leader),
poco luminosa, con débil corriente eléctrica, que progresa a saltos de algunas
decenas de metros, siguiendo caminos erráticos pero con avance neto hacia el
suelo. El campo eléctrico a nivel del suelo aumenta, siendo más intenso (hasta
500 kV/m) en las partes sobresalientes de la superficie, edificio en altura, árbol,
antena, etc., por el “efecto de punta”. Desde allí parte una descarga ascendente
también débil inicialmente. Cuando la distancia entre ambos precursores llega a
valores entre 50 y 100 metros se establece el contacto entre ambos por ruptura de
la rigidez dieléctrica del aire iniciándose la conducción por corriente intensa, las
cargas fluyen bruscamente al suelo a través del “canal ionizado” que vincula
eléctricamente la nube con el suelo, como camino conductor. Este canal ionizado
es de una trayectoria bastante rectilínea. Resulta muy visible por su luminosidad y
muy audible por el estruendo ensordecedor que produce
Protección contra la sobretensión:
Imprescindible para Cualquier equipo electrónico
Las instalaciones electrónicas, el proceso de datos, los ordenadores, los sistemas
de CAD/CAM, los aparatos de medición, control y regulación, etc. constituyen una
parte cada vez más importante y necesaria de nuestra vida hasta el punto de que
parecería indispensable no poder contar con ellos en la mayoría de los procesos
de producción, de los centros informáticos, en la construcción o la administración e
incluso en el ámbito de la vida privada.
En el corazón de tales instalaciones se encuentran circuitos electrónicos altamente
integrados que concentran en unos milímetros cuadrados miles de unidades
funcionales distintas. Se esconde allí toda la potencia del proceso pero también la
vulnerabilidad del mismo, pues un fallo en los equipos significará para la empresa
pérdidas financieras importantes.
Entre los potenciales factores de interferencia más peligrosos para cualquier
instalación que se precie, se encuentra el fenómeno de las sobretensiones. Las
perturbaciones atmosféricas o los procesos de conmutación en las redes de
alimentación pueden provocar gravísimos daños a la instalación y fallos en la
producción. Dichos daños materiales y los derivados de tales fallos se evalúan en
centenares de miles de millones
Para evitar tales problemas, conviene tomar medidas preventivas en cuanto a
seguridad, capaces de garantizar la capacidad de funcionamiento de todas las
partes de la instalación existentes en los edificios aun en el caso de que se vean
afectados por los más elevados fenómenos de sobretensiones. Con esta
orientación se crea un extensísimo programa de elementos de protección contra
sobretensiones basados en vías de chispas, descargadores abiertos, de contorneo
deslizante, de gas, varistores y diodos supresores cuya adecuada combinación en
la red dará lugar a la más elevada de las protecciones
Sistemas de pararrayos
La protección de estructuras es más tolerante que una protección electrónica. Así,
un edificio puede tolerar hasta 100,000 V mientras que componentes electrónicos
a 24 V se dañarán con voltajes sostenidos de 48 volts!
Un sistema de protección contra descargas, llamado de pararrayos, debe cumplir
las siguientes condiciones :
Capturar el rayo en el punto diseñado para tal propósito llamado terminal
aérea.
Conducir la energía de la descarga a tierra, mediante un sistema de cables
conductores que transfiere la energía de la descarga mediante trayectorias
de baja impedancia, y;
Disipar la energía en un sistema de terminales (electrodos) en tierra.
Benjamín Franklin fue el primero en darse cuenta que la altura era un factor
El sistema más sencillo y más antiguo de pararrayos, es el que consiste en
terminales aéreas de cobre, bronce o aluminio anodizado terminadas en punta,
llamadas puntas Franklin, colocadas sobre las estructuras a proteger de los rayos.
Este sistema se aplica en iglesias, casas de campo, graneros y otras estructuras
ordinarias.
Causas de las sobretensiones
Impacto directo
Si el rayo alcanza directamente el edificio, todos los elementos conductores se
encuentran en cuestión de microsegundos sometidos a un potencial muy elevado.
Una corriente igualatoria altamente destructiva fluye desde las partes conectadas
a tierra de los equipos hasta el sistema de alimentación de la red de datos o de
bajo voltaje
Impacto lejano
Incluso si el propio edificio no ha sido alcanzado, existe el efecto del rayo que, con
sus ondas transitorias y sus amplitudes de alto voltaje, se propagan a lo largo de
la línea de alimentación casi con la velocidad de la luz, poniendo en peligro
cualquier sistema electrónico.
Rayos entre nubes
Si se ha alegrado de ver que el rayo no alcanzaba la tierra sino que rebotaba de
nube a nube se ha alegrado demasiado pronto porque los rayos de nube a nube
descargan sobre la tierra cargas de reflexión y generan a la velocidad de la luz
unas ondas transitorias sobre las redes eléctricas y las líneas de datos, siendo el
resultado el mismo del apartado anterior.
Operaciones de conmutación
Cuando una instalación se avería sin que la haya alcanzado ningún rayo, puede
haber sido por otra causa. Operaciones de encendido y apagado de la compañía
eléctrica suministradora, conmutación de cargas inductivas o capacitivas, así
como contactos a tierra accidentales o cortocircuitos en la red de alimentación
eléctrica
Niveles de protección
Se puede establecer una clasificación de tres niveles de protección, contra los
efectos de los rayos tanto directos como indirectos: el nivel primario está
constituido por los sistemas de pararrayos, terminales aéreos, estructuras
metálicas, blindajes y tomas de tierra; el nivel secundario sería el necesario a nivel
de la alimentación del equipo o sistema, y se dividirá, a su vez en dos subniveles:
general y medio en el que se utilizarán descargadores de clases B y C; el terciario
sería a nivel de circuito impreso y componentes electrónicos y recibe la
denominación de protección fina. Los elementos protectores empleados en esta
caso son los de tipo D, que describiremos más adelante.
Un esquema de la situación expuesta se puede ver en el esquema siguienteen el
que se describen los distintos tipos de zonas de protección y los descargadores
utilizados en cada caso.
Limitadores de sobretensiones
Los tipos de limitadores de sobretensiones más habituales son los que se
describen a continuación:
Descargadores: abierto, de contorneo deslizante y de gas
Varistor de óxido de zinc
Diodos supresores
Los descargadores abiertos se usan en protecciones secundarias. En ellos el aire
ambiente se usa como dieléctrico. La tensión de encendido del descargador no
puede definirse exactamente pues depende de la humedad o de las impurezas del
aire.
Un varistor de óxido de zinc se compone de granos de ZnO cimentados en otros
granos de óxido metálicos. El óxido de zinc es un semiconductor de tipo
N, que limita con los demás óxidos metálicos de tipo P. El comportamiento
eléctrico del varistor de óxido de zinc queda, pues, limitado por el número de
contactos PN, dispuestos en paralelo y en serie. Al sobrepasar las tensiones de
conducción en los límites de los granos individuales, el varistor pasa a ser
conductor. Su tiempo de respuesta es más rápido que el de un descargador de
gas, pero más lento que el de un diodo supresor de silicio.
Los diodos supresores de silicio son uniones PN caracterizadas por su aguda
característica de avalancha, por su alta capacidad de supresión de
sobretensiones, por su extremadamente rápida respuesta y por su baja resistencia
de conducción.
Mediciones de descargas atmosféricas
Las estaciones encargadas de la detección de descargas nube – suelo deben
estar concebidas para medir por recepción de las ondas electromagnéticas que
emiten las descargas, la siguiente información:
Ubicación del punto de impacto
Momento de ocurrencia (fecha y hora con precisión de 1 ms)
Amplitud de la onda ( 0 a n kA )
Número de arcos que componen la descarga
Toda esta información se puede extraer de los registros si se lleva a cabo un
monitoreo permanente del área en estudio y se realiza el procesamiento
simultáneo de datos aportados por diferentes estaciones ubicadas
estratégicamente en el territorio donde se desea estudiar las características
eléctricas del fenómeno.
Cómo medir los parámetros del rayo
El rayo por ser una corriente eléctrica variable produce un campo
electromagnético irradiado. Este campo aparece como perturbador de los
sistemas que presentan lazos o bucles de conducción.
La frecuencia equivalente del campo se ubica en la gama de las ondas largas por
tal motivo es difícil de producir un blindaje para evitar su acción. Los receptores
de radio, de amplitud modulada, recepcionan las ondas de este campo aún dentro
de los edificios.
Una forma de medir los parámetros del rayo es aprovechar este campo
electromagnético, captándolo y registrándolo como oscilógrafo con una base de
tiempo exacta y precisa que permita la discriminación de variaciones en una
décima de microsegundo (10-7 s ).
La antena de donde parte el campo electromagnético es el canal ionizado, que en
el caso de las descargas nube–suelo, se puede asimilar a un conductor rectilíneo
aproximadamente vertical de gran longitud ( 3 ó 4 km ).
En una aproximación simplificada, podemos aceptar que para una distancia “d”
suficientemente alejada del lugar de impacto, la intensidad de campo magnético
H[A/m] está dada por la ley de Ampère H = I/(2 π r) a una distancia r [m] de
un alambre rectilíneo infinitamente largo, por el que circula la corriente
Campo magnético generado por la corriente del rayo
Si la descarga es vertical, el campo será esencialmente horizontal. El lazo o espira
que concatene las líneas de este campo debe ser vertical y pertenecer a un plano
que contiene a la recta del canal ionizado.
En esas condiciones la tensión inducida según la ley de Lenz será:
U = S μO ΔH/Δt (2)
Reemplazando (1) en (2) resulta: U = 200 (S/r) (ΔI/Δt)
U = tensión inducida en [V]
S = superficie de la espira en [m
r = distancia de la espira al canal ionizado en [m]
t = pendiente máx. De la corriente del rayo en [kA/μs]
Ejemplo: El rayo cae a mil metros de la estación donde está la espira cuya
superficie es de 1[m2].
La pendiente máxima del rayo esperada es ΔI/Δt = 40 [kA/μs] Bajo estas
condiciones U = 200 (S/r) (ΔI/Δt) = 8[V]. La tensión inducida es de 8[V] en la espira
de 1[m2].
Si nos aproximamos a la caída del rayo a una distancia r =100[m] la tensión
máxima sería de
80[V]. Cualquier distancia menor induciría valores de tensión que podrían ser
peligrosos para los circuitos electrónicos. Por esta razón la tensión inducida por la
caída de un rayo es una seria amenaza para los equipos conectados a la red, por
su cordón de alimentación, aunque ellos estén desenergizados.
Conclusiones
Si bien existen síntomas claros que preceden la ocurrencia de descargas
atmosféricas, no resulta posible predecir con certeza, el momento, el lugar de
impacto ni la intensidad de sus parámetros
Todas las mediciones realizadas sirven para ser acumuladas y analizadas en
términos estadísticos, permitiendo luego hablar sobre probabilidad de la
ocurrencia de tal o cual tipo de descarga.
El fenómeno rayo está estudiado seriamente desde hace más de un siglo,
habiéndose llegado a determinar y medir, en los últimos treinta años, con un alto
grado de minuciosidad, las características de las descargas eléctricas en la
atmósfera. Aunque todos se parecen, no existen dos rayos que sean iguales, y
son muchos los que ocurren sobre el planeta tierra.
En el territorio de Francia ocurren (estimativamente, según el modo de conteo) 1,6
millones de descargas anuales, algo así como 3 descargas por kilómetro cuadrado
y por año. Debe señalarse sin embargo que existe una enorme dispersión en los
valores, respecto de este promedio, para las diferentes regiones del país.
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