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Inicio - El Rayo

Lima - Perú,

I.- INTRODUCCIÓN
Los rayos son un fenómeno eléctrico, asociado a la formación de nubes electrificadas: nubes de tormenta. Muchos científicos (desde los años 20) han tratado de describir el fenómeno de las tormentas. Desafortunadamente la complejidad del fenómeno es tal que ningún modelo satisfactorio esta todavía disponible.

Las nubes de tormenta son generalmente del tipo cumulo - nimbus, y contienen cientos de miles de toneladas de agua. Su base puede cubrir decenas de kilómetros cuadrados y pueden alcanzar altitudes en el rango de 2 a 20 kilómetros

II.- FORMACIÓN DEL RAYO
La nube de tormenta llamada cumulo-nimbus, está constituida, en la parte alta de cristales de hielo cargados positivamente, en la parte baja de gotas de agua cargadas negativamente. En Europa 80 a 90% de los rayos son negativos mientras que en otras regiones la proporción de rayos positivos es más alta. Cuando se crea un cumulo-nimbus, el campo eléctrico al nivel del suelo aumenta para alcanzar a valores cercanos de 20 kV/m mientras que los diferentes puntos altos generan una ionización natural (ver figura 1).

Al centro de la nube se crean varios trazadores, progresando por saltos sucesivos hacia el suelo. Con la aproximación de éstos líderes que desciende, la ionización de los puntos altos se amplifica para dar nacimiento a trazadores que suben (ver figura 2).

Cuando estos dos líderes se encuentran, se crea un canal ionizado, que permite a la nube de descargarse eléctricamente (ver figura 3).


III.- CLASIFICACIÓN DE LAS DESCARGAS

Los rayos pueden ser clasificados de acuerdo a las cargas producidas y a la naturaleza del sistema de líderes que realizan la conexión de la descarga con tierra.

DESCARGA NEGATIVA NUBE-TIERRA, CON LÍDER POSITIVO ASCENDENTE

Estas descargas son las más frecuentes (70 a 90% de casos). En este tipo de descarga, un líder negativo de nube a tierra es emitido. El campo eléctrico en un objeto en tierra se refuerza por consiguiente suficientemente por el acercamiento de la carga negativa para provocar la creación de un "líder - ascendente" positivo conocido como un "líder de captura". Este líder ascendente se mueve en la dirección del líder que viene de la nube. Cuando ellos se interceptan, esto da lugar a la descarga del rayo principal.

DESCARGA NEGATIVA NUBE-TIERRA, SIN UN LIDER ASCENDENTE POSITIVO

Este tipo de descarga es idéntica al tipo precedente. Sin embargo las condiciones del campo eléctrico en tierra no permiten el desarrollo de un líder ascendente. Por lo tanto se realiza una conexión directa con tierra. 

DESCARGA POSITIVA NUBE-TIERRA

Este tipo de descarga es poco comprendida, aunque parecería que raramente da lugar a un líder ascendente en este caso. El rayo, como en el caso anterior, hace contacto directo con la tierra. 

DESCARGA POSITIVA TIERRA - NUBE

Este tipo de rayo corresponde a esos casos donde el campo eléctrico en la tierra creado por la nube es lo suficientemente intenso para que un líder tierra-a-nube se desarrolle. Éste es generalmente el caso donde existen altas estructuras terrestres (varios decenas de metros). Este tipo de rayo es también frecuente en regiones montañosas. En todos los casos registrados, este tipo de líder es positivo.

IV.- SISTEMAS DE PROTECCIÓN CONTRA EL RAYO
Aunque toda edificación es vulnerable a los rayos y las sobretensiones, es posible protegerse y evitar sus efectos destructivos mediante sistemas de protección específicos, tal como los pararrayos y los supresores de sobretensiones.
La decisión de dotar a una estructura de un Sistema de Protección Contra el Rayo (SPCR) depende de varios factores como: 
  • Probabilidad de caída de rayos en la zona
  • Gravedad y consecuencias para personas, maquinaria u operatividad en empresas.

Una correcta protección debe dotar a la estructura de dos sistemas de protección:

  • Protección externa contra impactos directos de rayos (pararrayos, tendido o jaula de Faraday) y
  • Protección interna contra sobretensiones provocadas por la caída del rayo(limitadores de tensión, TVSS, SPD, etc).

Tanto el sistema de protección externo como el interno estarán apoyados en un buen Sistema de Puesta a Tierra (SPAT).
Así como una adecuada EQUIPOTENCIALIDAD entre los SPAT, tanto de los sistemas de protección , como de los circuitos eléctricos, telecomunicaciones y de datos del espacio a proteger.


V.- SISTEMA EXTERNO DE PROTECCIÓN CONTRA EL RAYO
El Sistema Externo de Protección Contra el Rayo (SEPCR), comprende:
  • Un dispositivo captor (terminal aéreo), cuyo objetivo es captar la descarga,
  • Uno o varios conductores de bajada para conducir la descarga hacia tierra y
  • Un sistema de puesta a tierra adecuado para neutralizar la intensidad del rayo

Existen dispositivos captores de varios tipos:

Pararrayos de tipo Convencional, conocidos como pararrayos Franklin, en honor a su descubridor Benjamín Franklin, esta formado por una varilla con varias puntas captoras, se utiliza para proteger áreas pequeñas. Es un sistema óptimo para proteger aquellas edificaciones donde la altura predomina sobre la superficie.

(Ver Cuadro de colocación del dispositivo captador en función del nivel de protección)

 

Pararrayos con Dispositivo de Cebado (PDC), estos pararrayos proporcionan un mayor radio de protección y seguridad, están provistos de una o más puntas captadoras, dispositivos de cebado y un eje sobre el que se soporta el sistema de conexión del conductor de bajada.
Un PDC se caracteriza por su avance en el cebado, evidenciado cuando es comparado con un pararrayos con dispositivo de cebado de referencia PR con su dispositivo de cebado anulado.
El proceso de cebado es el fenómeno físico comprendido entre la aparición de los efluvios del efecto corona y la propagación continua del trazador ascendente.

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Jaula de Faraday, aquellos edificios con un índice de riesgo muy elevado pueden protegerse o que por cuestiones estéticas no se recomiende el uso de un pararrayos pueden protegerse mediante este sistema; el cual, está formado por una red conductora en forma de malla que protege todo el volumen de la instalación. En el caso de un impacto de rayo, la corriente se distribuiría por toda la malla y se neutralizaría en las diferentes puestas a tierra.


VI.- SISTEMA INTERNO DE PROTECCIÓN CONTRA EL RAYO
Las instalaciones de pararrayos tienen como objeto derivar las descargas directas de rayos a tierra, protegiendo externamente a edificios y personas. Sin embargo, los rayos producen efectos indirectos que pueden generar desperfectos en los equipos, debidos a sobretensiones transitorias y picos de tensión que pueden propagarse a través de las líneas eléctricas, telefónicas y de datos, alcanzando magnitudes muy superiores a las que pueden soportar las instalaciones y los equipos electrónicos.
Las sobretensiones transitorias pueden además ser generadas por:
  • Campos electromagnéticos originados por maniobras en las instalaciones de alta tensión.
  • Impulsos de descargas que impactan zonas aledañas a la instalación (LEMP: Lightning Electromagnetic Pulse)
  • Descargas electrostáticas
  • Diferencias de potencial de tierra

TIPOS DE ACOPLAMIENTO
Las sobretensiones inducidas por las descargas atmosféricas se describen generalmente como "efectos secundarios" y se conocen tres tipos de acoplamiento mediante los cuales las sobretensiones provenientes de las descargas atmosféricas pueden afectar los cables de energía, datos o telecomunicaciones:

  • Acoplamiento Resistivo; cuando una descarga atmosférica impacta zonas cercanas a la instalación, ésta causa una elevación del potencial en las vecindades de esta instalación. El aumento del potencial en la tierra afecta los sistemas de puesta a tierra y se conduce hacia el interior de la instalación donde viaja a través del sistema eléctrico.
  • Acoplamiento Inductivo; el impacto de una descarga atmosférica sobre un conductor que forma parte del Sistema de Protección contra Descargas Atmosféricas (SPDA), genera un gran impulso de energía electromagnética que puede ser absorbido por los cables internos de la edificación en forma de sobretensiones.
  • Acoplamiento Capacitivo; Los cables de las líneas de alta tensión generalmente están expuestos a los impactos de las descargas atmosféricas. Cuando una descarga atmosférica hace impacto sobre una de estas líneas, los dispositivos descargadores de sobretensiones disipan gran parte de la energía; sin embargo, una porción considerable viaja por las líneas de distribución y debido a las altas frecuencias asociadas a este fenómeno, se produce el acoplamiento capacitivo a través del transformador hacia los sistemas de potencia de las edificaciones, destruyendo cualquier equipo electrónico conectado a este sistema.

MODOS DE PROPAGACIÓN DE LAS SOBRETENSIONES

  • Modo común o asimétrica:
    Perturbaciones entre un conductor activo y la tierra (fase-tierra o neutro-tierra), con riesgo de perforación dieléctrica.
  • Modo diferencial o simétrica:
    Perturbaciones entre conductores activos, (fase-fase o fase-neutro), especialmente peligrosas para los equipos informáticos

PROBLEMAS CAUSADOS POR LAS SOBRETENSIONES

  • Malfuncionamiento:
    Aunque no hay daño físico, los niveles lógicos o analógicos del sistema son alterados, causando: pérdida de datos, datos y software corruptos, caídas de las redes inexplicables, bloqueos, etc. El sistema puede ser reseteado y entonces funcionará normalmente.
  • Degradación:
    Esto es algo más serio. Tiempos de exposición más largos a sobrevoltajes transitorios de bajo nivel, desconocidos para el usuario, degradaran los componentes electrónicos y la circuitería reduciendo la vida útil del equipo e incrementando la probabilidad de fallas.
  • Daño:
    Sobrevoltajes transitorios grandes pueden causar daño a los componentes, tarjetas electrónicas e interfases de Entrada / Salida. Sobrevoltajes transitorios severos pueden manifestarse a través de quemaduras exteriores en las tarjetas, sin embargo, el daño ordinario es menos espectacular.

REQUERIMOS PROTECCIÓN?
Porqué protegernos?

Esta decisión es fuertemente influenciada por la valoración de los usuarios de la importancia de los sistemas electrónicos en cuestión. Considere:

  • El costo de reemplazar el equipo dañado
  • El costo de los trabajos de reparación, especialmente para instalaciones remotas
  • El costo de datos perdidos o destruidos
  • Las implicaciones financieras, tal como: ventas perdidas, pérdida de producción, clientes insatisfechos, etc.
  • Daños potenciales a la salud y la seguridad causados por la inestabilidad de fábricas, después de la pérdida de control
  • La necesidad de salvaguardar la operación de Alarmas contra incendios, Sistemas de seguridad, Sistemas de administración de edificios y otros servicios esenciales.
  • La necesidad de minimizar riesgos de incendios y choques eléctricos peligrosos.

PROTECTORES CONTRA SOBRETENSIONES TRANSITORIAS
Los protectores contra sobretensiones o sobrevoltajes transitorios (TVSS: Transient Voltaje Surge Suppressor) deberán ser usados como suplemento y soporte del sistema de protección exterior contra el rayo.
Cuando instalamos los TVSS nuestro objetivo es siempre instalarlos entre la fuente de la sobretensión y el equipos que tratamos de proteger.
Las sobretensiones pueden ser conducidas a los equipos electrónicos vía:

  • Fuentes de alimentación eléctrica
  • Líneas de datos, señal y voz.

SELECCIÓN Y ESPECIFICACIÓN DE LOS PROTECTORES
En la selección de un TVSS es importante que el dispositivo seleccionado cumpla con los siguientes requerimientos:

  • Sobrevivencia. Es vital que el protector escogido sea capaz de sobrevivir al peor caso de transitorios esperados. También, desde que el rayo es un evento de pulsos múltiples, el protector no deberá fallar después de experimentar el primer transitorio.
  • Control de transitorios. El protector deberá ser capaz de controlar los transitorios a un nivel de voltaje por debajo de la susceptibilidad y vulnerabilidad de el equipo que estamos protegiendo.
  • Compatibilidad con el sistema. El protector no debe interferir con la operación normal del sistema protegido. Los sistemas de Comunicación y circuito de Seguridad son particularmente susceptibles a este tipo de problemas.

CATEGORÍAS DE PROTECCIÓN (Ver Gráfico)
El Estándar Americano de IEEE C62.41 define tres categoría de acuerdo a la ubicación del protector.

Fuentes de alimentación eléctrica
Como los transitorios viajan a través del edificio, la cantidad de corriente puede reducirse, debido a la impedancia de los cables y por efecto de división de corriente en varios circuitos. Esto es basado en la asunción de que un transitorio típico en las líneas de alimentación principales causado por el rayo tiene la forma de onda 1.2/50µs

Categoría C, es definida como sigue:

  • Exterior del edificio 
  • Servicio de entrada
  • Lado de la carga de Tableros de distribución proveyendo una fuente de alimentación saliente hacia otros edificios

Categoría B, es definida como sigue:

  • En el sistema de distribución de energía, entre el lado de la carga del tablero de distribución entrante y el lado de la fuente de un tomacorriente
  • Dentro de un aparato el cual no es alimentado desde un tomacorriente de pared
  • Sub-Tableros de distribución localizados a una distancia de 20m de la Categoría C

Categoría A, es definida como sigue:

  • Tomacorrientes y circuitos ramificados largos
  • Todos los tomacorrientes a más de 10m de la Categoría B
  • Todos los tomacorrientes a más de 20m de la categoría C.

Líneas de datos, señal y voz
Las sobretensiones transitorias en la líneas de datos no son atenuados significativamente por el cable y por lo tanto los protectores deberán siempre ser seleccionados para Categoría C. Sin tener en cuenta donde ellos se instalan en el edificio, el peor caso será similar. Esto es basado en el transitorio con la forma de onda 10/700µs.


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