Protección contra rayos

Transcripción

UNIVERSIDAD DE VALLADOLID
INGENIERO EN ELECTRÓNICA
Compatibilidad Electromagnética
Protección contra
rayos
Rubén Bartolomé Henares
[email protected]
Índice
1
La atmósfera: una visión general ........................................................................................... 1
1.1 Las capas de la atmósfera ............................................................................................................. 1
1.2 Las nubes ..................................................................................................................................... 2
1.2.1
Tipos de nubes ..................................................................................................................................... 2
1.2.2
Nubes de tormenta: cúmulos ............................................................................................................... 2
1.2.3
Ionización de las nubes......................................................................................................................... 3
1.3 Descargas eléctricas ...................................................................................................................... 3
1.4 El rayo .......................................................................................................................................... 4
2
Caracterización del rayo ........................................................................................................ 5
2.1 Contabilización de descargas atmosféricas ................................................................................... 5
2.2 Parámetros importantes del rayo para aplicaciones prácticas ........................................................ 7
2.2.1
Amplitud de la descarga ....................................................................................................................... 7
2.2.2
Forma de onda ..................................................................................................................................... 8
2.2.3
Ángulo de incidencia ............................................................................................................................ 8
2.3 Probabilidad de ocurrencia y variación de los parámetros de un rayo ............................................ 9
2.3.1
3
Influencia del terreno y de las condiciones ambientales en la generación de rayos ...............................10
Efectos eléctricos producidos por la descarga de un rayo .................................................... 11
3.1 Efectos directos .......................................................................................................................... 11
3.2 Efectos secundarios .................................................................................................................... 12
4
3.2.1
Carga electrostática.............................................................................................................................12
3.2.2
Pulsos electromagnéticos ....................................................................................................................13
3.2.3
Pulsos electrostáticos ..........................................................................................................................13
3.2.4
Corrientes de tierra .............................................................................................................................14
3.2.5
Sobrevoltaje transitorio .......................................................................................................................15
Protecciones contra la caída de rayos .................................................................................. 15
4.1 Definición y distribución de zonas de protección ......................................................................... 16
5
Protecciones primarias ........................................................................................................ 17
5.1 Pararrayos .................................................................................................................................. 17
5.1.1
Pararrayos de puntas simples o tipo Franklin (PSF) ..............................................................................18
5.1.2
Pararrayos con dispositivos de cebado (PDC) .......................................................................................18
5.1.3
Pararrayos reticulares o de Jaula de Faraday .......................................................................................20
5.1.4
Métodos de diseño para la ubicación de pararrayos ............................................................................20
5.2 Bajantes ..................................................................................................................................... 22
5.3 Puesta a tierra ............................................................................................................................ 23
Autor: Rubén Bartolomé Henares
i
ii
6
5.3.1
Electrodos .......................................................................................................................................... 25
5.3.2
Anillos de enlace con tierra ................................................................................................................. 26
5.3.3
Punto de puesta a tierra ..................................................................................................................... 26
5.3.4
Líneas principales de tierra ................................................................................................................. 26
Protecciones secundarias ................................................................................................... 26
6.1 Limitadores de sobretensión ...................................................................................................... 27
7
6.1.1
Descargadores abiertos ...................................................................................................................... 28
6.1.2
Varistores ........................................................................................................................................... 29
6.1.3
Diodo supresor de silicio ..................................................................................................................... 29
Protecciones terciarias ........................................................................................................ 30
7.1 Circuitos de protección básicos ................................................................................................... 30
7.2 Protecciones de red .................................................................................................................... 31
7.3 Protecciones para entrada de linea de datos ............................................................................... 32
7.4 Protecciones con diodos supresores ........................................................................................... 32
7.5 Protecciones contra sobretensiones de alta frecuencia ............................................................... 33
7.6 Protección de alta seguridad....................................................................................................... 33
Apéndice: Descripción detallada de la formación del rayo
..................................................... 35
Bibliografía ................................................................................................................................ 37
1 La atmósfera: una visión general
Antes de nada, conviene tener unas nociones generales sobre el entorno en el que se producen
los rayos y conocer algunos de los fenómenos naturales que se producen en la atmósfera.
1.1 Las capas de la atmósfera
(1)
Podemos clasificarlas en función de la altitud:
Troposfera: Es la capa de aire que está en contacto con la superficie terrestre. Alcanza
hasta los 8–16 Km de altura (depende de la zona geográfica) y es en la que se producen
las nubes, lluvias, tormentas, etc. A medida que ascendemos la temperatura es menor.
Estratosfera: Alcanza hasta unos 50 Km. Está formada por estratos de aire con poco
movimiento vertical, aunque sí horizontal. A medida que se asciende la temperatura
aumenta: el ozono absorbe la luz peligrosa del sol y la convierte en calor.
Mesosfera: Alcanza hasta los 80–85 Km. Se producen iones debidos a la radiación
cósmica. De nuevo, como ocurría en la troposfera, la temperatura disminuye con la altitud
y puede llegar a alcanzar los –90°C.
Termosfera. Llega hasta unos 500 Km. El aire es muy tenue y la temperatura cambia con
la actividad solar. Si el sol está activo las temperaturas pueden superar los 1500°C. En esta
capa está incluida la Ionosfera: formada principalmente por iones (átomos eléctricamente
cargados procedentes del espacio), es usada en las comunicaciones modernas para hacer
reflejarse las ondas de radio, permitiendo alcanzar mayores distancias.
Exosfera: A partir de los 500 Km y hasta unos 1500–2000 Km. En ella apenas existe
materia (los átomos se “escapan” hacia el espacio). En ella se sitúan, entre otros, los
satélites meteorológicos.
Figura 1: Capas de la atmósfera
Puesto que es en la troposfera donde se producen las tormentas, nubes, etc., será a esta capa a
la que nos refiramos a partir de ahora cuando nos refiramos a atmósfera.
1
2
1.2 Las nubes
(1)
La troposfera está constituida, en muy poca proporción, por vapor de agua. Cuando este vapor
se mueve hacia a capas superiores debido a vientos verticales llega a condensarse. Si esa
condensación es elevada, el vapor de agua condensado no puede suspenderse en el aire y cae
en forma de lluvia, nieve o granizo. Una nube es un conjunto de esas gotitas de vapor en agua en
suspensión en el aire. Pueden alcanzar formas, tamaños y colores diversos.
Los principales mecanismos de generación de las corrientes ascendentes de aire que ayudan a la
formación de nubes son:
El choque de la corriente de aire contra una montaña (causa una corriente vertical).
El choque entre distintas turbulencias de aire.
Aunque existen otros fenómenos de condensación del vapor de agua, tales como la niebla, nos
centraremos en el estudio de las nubes ya que a ellas se debe la generación de tormentas.
1.2.1
Tipos de nubes
(1)
Existen tres tipos fundamentales de nubes:
Estratiformes (estratos): nubes planas y de poco espesor. Son debidas a corrientes de
elevación el aire muy débiles. Se forman en las capas bajas de la troposfera.
Cirriformes (cirros): formadas por cristales de vapor de agua. Tienen forma filamentosa
muy tenue. Se forman en las capas más altas de la troposfera.
Cumuliformes (cúmulos): son planas en su parte inferior y presentan cúpulas en la
superior debidas a fuertes elevaciones de aire. Estas nubes se formas en la zona
intermedia de la troposfera. Un tipo de estas son los cumulonimbos, de tonos oscuros, y
son las encargadas de producir precipitaciones y tormentas, de ahí que se las denomine
comúnmente como “nubes de tormenta”.
1.2.2
Nubes de tormenta: cúmulos
(1), (2)
Figura 2: Típicas nubes de tormenta (cúmulos)
La formación de este tipo de nube, puede ser de dos formas distintas: por convección natural,
típico en zonas tropicales, o por frentes de aire frío, típico en zonas de clima templado. La nube
se forma siempre de forma vertical debido al movimiento de las masas de aire ascendentes y en
su forma geométrica particular, parecida a un yunque, puede llegar a alcanzar alturas en cuanto
a su parte superior de hasta 20 Km y en su parte más baja, hasta 3 Km.
1.2.3
Ionización de las nubes
(1), (2), (3)
Las nubes no son elementos eléctricamente neutros. Se sabe que las zonas inferiores de las
nubes de tormenta tienen densidad de carga negativa, mientras que la superior la tiene positiva.
A pesar de que no existe una teoría que explique en su conjunto el fenómeno de ionización de
las nubes, una de las tesis más extendidas apunta a que las gotas grandes de vapor de agua en
suspensión, al ser empujadas por una fuerte corriente ascendente de aire, se quedan cargadas
positivamente mientras que el aire a su alrededor queda cargado negativamente. Así pues,
podemos decir que la estructura eléctrica de una nube es la de la Figura 3.
Figura 3: Distribución de carga en una nube conectiva, la típica nube de tormenta (cúmulo)
1.3 Descargas eléctricas
(1), (2)
Existen básicamente cuatro tipos de descargas atmosféricas:
Descargas nube–ionósfera.
Descargas dentro de la nube (relámpagos). Es el tipo más común de descarga. Ocurre
entre centros de carga opuestos dentro de la misma nube de tormenta
Descargas entre nubes (relámpagos). Ocurre entre centros de carga de diferentes nubes
con la descarga recorriendo el espacio de aire que hay entre ellas que puede llegar a ser
de 20 Km.
Descargas nube–tierra (rayos). Es el más dañino y peligroso pues puede producir daños a
estructuras, animales y personas aunque, por fortuna, no es el más común. La mayoría se
originan cerca del centro de carga negativo de la nube de tormenta y liberan carga
negativa hacia la tierra. Es en las que nos centraremos a partir de ahora.
También existen otros fenómenos eléctricos tales como las descargas de efecto corona,
comúnmente conocidas como "fuegos de San Telmo", pero tienen mucha menor intensidad.
3
4
1.4 El rayo
(1), (2), (4)
En el apéndice de este documento se describe pormenorizadamente el fenómeno físico de
formación de un rayo. Sin embargo, en esta sección, nos limitaremos a presentar una idea
general.
El rayo es la reacción eléctrica causada por la saturación de cargas electroestáticas que han sido
generadas y acumuladas progresivamente en la nube (como se ha visto en 1.2.3) durante la
activación del fenómeno eléctrico de una tormenta. La distribución de carga negativa en la parte
inferior de la nube hace que en la región de tierra que se encuentre debajo de ella aparezca una
distribución de carga positiva, como se ve en la Figura 4. La diferencia de potencial entre la zona
inferior de la nube y la tierra puede ser tan elevada que puede llegar a los 10.000 voltios.
Alcanzada esa tensión de ruptura el aire, que normalmente es aislante, deja pasar el exceso de
carga negativa. Así, durante unas fracciones de segundo, la energía electroestática acumulada en
la nube se convierte en una descarga de energía electromagnética (el relámpago visible y la
interferencia de ruido) que rondará los 20.000 A y que en ocasiones puede llegar a 200.000 A. El
aire se calienta a temperaturas cercanas a 30.000 °C (algo más que la temperatura de la
superficie del Sol) transformándose al estallar en energía acústica (trueno). El rayo tiende a
seguir el camino preparado previamente, donde la concentración de transferencia de electrones
superará los 10.000 Culombios por segundo en un punto concreto, para compensar las cargas
electroestáticas de signos opuestos. Este camino será sinuoso, buscando siempre la mínima
resistencia, por lo que la presencia de vapor de agua en la atmósfera viene a facilitar el tránsito
de la descarga.
Figura 4: Ilustración gráfica de las diferencias de potencial y de los condensadores atmosférico y de tierra
Realmente, cada rayo está compuesto por una secuencia de entre 2 y 5 descargas individuales
con una duración de 20 a 50 ms. La energía media por cada descarga es de unos 3.000 J
(equivalente a una explosión de un kilo de dinamita).
La enorme cantidad de energía que libera un rayo hace que los mayores efectos del rayo sean
los incendios y electrocuciones debido a impactos directos. Pero no son menos importantes los
efectos interferentes en equipos eléctricos y electrónicos.
2 Caracterización del rayo
(1)
Existen más de 15 parámetros relacionados con las descargas eléctricas atmosféricas. De entre
ellos, podemos destacar como más relevantes los siguientes:
Nivel keráunico: número de días al año en los que, al menos, se ve un rayo. En algunas
zonas del planeta el nivel keráunico puede llegar hasta valores de 300.
Densidad de rayos a tierra (DRT): número de rayos a tierra por kilómetro cuadrado cada
año. Es un parámetro complementario al nivel keráunico que permite cuantificar la
incidencia de rayos en una zona.
Polaridad del rayo: signo de las cargas transferidas. Normalmente son electrones, pero en
algunos casos pueden transferirse cargas positivas.
Impedancia del canal. Se pueden considerar a la nube y a la tierra como placas de un
condensador que se descargan a través de un canal con una impedancia de unos 5 kW, de
carácter inductivo debido a que la formación del canal requiere de un cierto instante de
tiempo.
Corriente de pico. Es, junto al gradiente máximo de corriente del rayo, el parámetro más
importante de una descarga. Resulta importante para el diseño de protección contra
rayos.
Gradiente máximo de corriente del rayo. Se utiliza para el cálculo de tensiones
electromagnéticas inducidas que se presentan en los lazos metálicos, abiertos o cerrados,
en cualquier instalación y que son las causantes de daños en los equipos electrónicos
(televisores, teléfonos, equipos de comunicación, etc.).
Cuadrado de la corriente de impulso del rayo. este parámetro se utiliza para el cálculo del
calentamiento y los esfuerzos electromecánicos al circular la corriente del rayo por
conductores metálicos de las protecciones primarias.
2.1 Contabilización de descargas atmosféricas
(2), (4)
Existen dos formas de representar la actividad de rayos en el planeta tierra y que tienen utilidad
tanto en lo que respecta a estimación de variables.
El nivel de riesgo de rayos se llama nivel keráunico (en griego “Keraunos” significa rayo) y se
valora como el número de días de tormentas con la actividad de al menos un rayo
(tormentas/km2·año). Estos niveles de riesgo sólo son de referencia ya que suelen ser muy
variables salvo en algunos casos en los que se mantienen durante más tiempo por las
características particulares del contexto ambiental y geográfico. Pueden presentarse regiones
con uno o menos días de tormenta al año (baja actividad keraúnica) y hasta 200–300 días de
tormenta al año en zonas críticas, especialmente en el trópico (centro–sur de América y África).
Las líneas isokeráunicas son indicadores de medición de una área concreta que determina
diferentes zonas de un mapa keráunico (ver Figura 5).
No se tiene que confundir el nivel de riesgo de rayos reflejado en un mapa keráunico (días de
tormenta con un rayo o más) con la densidad de rayos a tierra (DRT) que determina si una zona
posee un riesgo especial de rayos. El nivel keráunico no determina si una zona geográfica tiene
más o menos actividad de impactos en el suelo. Para conocer el nivel de riesgo de una zona se
5
6
tiene que efectuar un estudio particular del comportamiento del rayo analizando para ello los
datos de, al menos, 5 años (ver Figura 6).
Figura 5: Mapa keráunico obtenido con el programa Ipwin para el cálculo teórico de densidad de rayos
El problema de tener como información solo los días en los que ocurren descargas, es que no se
puede especificar directamente cuántos de los eventos correspondientes son del tipo nube–
tierra, que es precisamente el dato importante.
Sin embargo, se han obtenido en función de medidas y estadísticas ciertas formulaciones que
permiten establecer una relación entre el nivel keraúnico y la DRT. La más aceptada a nivel de
normativas y trabajos internacionales es:
DRT
0.04 TD1.25
rayos
km 2 ·año
donde TD es el nivel keráunico en días de tormenta al año. Así, por ejemplo, una región con un
TD de 20 días de tormenta al año, tendría una DRT de 1.7 rayos/Km2·año.
Actualmente, la forma de obtener la información de la DRT es mediante localizadores terrestres
de rayos o mediante detección satelital. Los satélites, mediante programas avanzados, manejan
los datos DRT además de otros no menos importantes relacionados con las propias
características de las descargas (polaridad, magnitud, etc). En la Figura 6 se presentan los mapas
DRT obtenidos para la actividad de rayos en el planeta tierra a través de satélites de la NASA.
También existen otro tipo de localizadores terrestres que permiten obtener información puntual
con menor precisión en función de señales de alta frecuencia captadas desde antenas.
En la siguiente página web puede encontrase información aproximada acerca de la ocurrencia
minuto a minuto de este tipo de eventos:
http://www.inm.es/web/infmet/rayos/rayos.html
2
Figura 6: Densidad combinada mundial de descargas a tierra por km desde Abril de 1995 a Febrero de 2003
resultante de las observaciones mediante instrumentos de la NASA OTD (4/95-3/00) y LIS (1/98-2/03)
2.2 Parámetros importantes del rayo para aplicaciones prácticas
2.2.1
(2)
Amplitud de la descarga
La magnitud de la descarga no depende de las características del punto de terminación, ya que la
resistencia propia del canal plasmático de conducción es superior (en el orden de los miles de
ohmios) a la propia de la terminación de tierra. Su comportamiento es totalmente aleatorio y
por lo tanto su caracterización debe realizarse desde el punto de vista probabilístico, pudiéndose
aproximar la distribución acumulada de probabilidades por la siguiente función:
1
P I
1
I
31
2.6
donde I es la corriente expresada en kA. La media para una descarga principal suele estar en los
31 kA, mientras que para descargas sucesivas está en 12 kA.
Figura 7: Distribución de frecuencia acumulativa para corrientes máximas. Probabilidad (%) de exceder a la
Corriente (kA): (1) Primeras descargas negativas, (2) Descargas negativas sucesivas, (3) Descargas Positivas
7
8
2.2.2
Forma de onda
Una forma de representar una onda de descarga atmosférica es por la tasa de crecimiento de
ésta, hasta que alcanza su valor pico (kA/µseg). La distribución acumulada de probabilidades, en
este caso, se puede aproximar por:
1
P S
1
S
24
4
donde S es la tasa de crecimiento en kA/µseg.
Figura 8: Distribución de frecuencia acumulativa para la tasa de crecimiento: (1) Primeras descargas negativas, (2)
Descargas negativas sucesivas, (3) Descargas Positivas
2.2.3
Ángulo de incidencia
Se define como el ángulo formado entre la línea vertical y cualquier punto terminal (tierra) con
el cual incide la descarga. El considerar que todos los rayos inciden verticalmente introduce
errores, debidos principalmente a que se debe tener en cuenta que no solo el área superior de la
estructura es la que está expuesta, sino que también lo está su superficie lateral. La
probabilidad, P(Ѳ), de ocurrencia de un ángulo de inclinación se puede expresar como:
P
4
2
cos 2
d
Figura 9: Probabilidad de frecuencia acumulada para el ángulo de incidencia del rayo (° respecto a la vertical)
2.3 Probabilidad de ocurrencia y variación de los parámetros de un
(4)
rayo
Tensión de ruptura. Su valor varía con las condiciones atmosféricas, y es favorecido por la
humedad ambiental.
Intensidad de descarga del rayo. Es variable y dependerá del momento crítico de la
ruptura dieléctrica del aire (resistencia variable) entre los dos puntos de transferencia de
la carga así como la facilidad de transporte de la energía del medio (conductancia
variable) y de la capacidad de absorción o disipación de la zona de impacto en tierra
(resistencia Variable). Como media, se utiliza erróneamente el valor de 30.000 Amperios
de intensidad del rayo, pero podemos afirmar que los valores actuales de media son más
altos llegando a superar los 50.000 Amperios y rayos superiores a 200.000 Amperios.
Resistencia dieléctrica del aire. El aire no es un aislante perfecto. Su resistencia dieléctrica
antes de la ruptura es de 3kV/mm y varía proporcionalmente con la altura. Así, los
sistemas con equipos localizados en alta montaña tienen mayor probabilidad de sufrir
daños por rayos que aquellos situados en los valles. La ruptura dieléctrica del aire,
también variará según el grado de contaminación atmosférica, temperatura, humedad,
presión y radiación electromagnética natural o no.
Tensión eléctrica. Aparece durante el proceso de la descarga del rayo y su valor es
proporcional a la resistencia de los conductores que transportan la corriente de la
descarga del rayo, es decir, en función de la resistencia de los conductores eléctricos,
estos se encargarán de llevar la corriente a tierra en más o menos tiempo. La corriente
tendrá un freno o una aceleración a su paso a tierra (resistencia) y por ello aparecerá una
tensión (voltios) temporal. Por ejemplo, diferentes conductores eléctricos podrían ser: la
tierra, roca, madera, hierro, árbol, barco, depósito de gas, instalaciones de pararrayos, las
puestas a tierra, las personas, etc. Para conocer el valor de la tensión que se puede
generar en una instalación basta con aplicar la ley de ohm a un impacto de rayo. Por
ejemplo, supongamos que el impacto de rayo se genera en el pararrayos y el INM nos
proporciona su identidad, es decir, un rayo con un valor de intensidad de descarga de
200.000 amperios. Tomaremos este valor como valor (I), y como referencia de la
resistencia tomaremos la toma de tierra del pararrayos, es decir, 5 ohmios (R). La tensión
que aparece en el cable de tierra del pararrayos es de: E = I x R (1.000.000 de voltios).
Densidad de carga del rayo. Es proporcional al tiempo de exposición de la saturación de
carga electroestática de la zona expuesta por la nube.
Sentido de la descarga. Es, generalmente, un 80% de nube a la tierra (rayos negativos), el
10 % son descargas ascendentes de tierra a nube (rayos positivos) y el resto entre nube y
nube o dentro de la misma nube. Las descargas de los rayos positivos suelen ser de más
intensidad y más destructivos que los negativos.
Zona de impacto. Una vez que el rayo ya se ha formado no se puede garantizar su zona de
impacto ya que su trayectoria puede ser caótica. Siempre predominarán los ambientes
eléctricos cargados. Los estudios del campo eléctrico atmosférico en tierra determinan
que la distribución de cargas en tierra no es estática, sino dinámica, al formarse y generar
aleatoriamente chispas en diferentes puntos geográficos dentro de la. La intensidad y
situación del campo eléctrico cambia radicalmente pudiendo generar impactos de rayos
con trayectorias laterales de más de 17 Km entre los dos puntos de contacto.
9
10
2.3.1
Influencia del terreno y de las condiciones ambientales en la generación de
(1), (4)
rayos
Las condiciones eléctricas del terreno resultan fundamentales. En aquellas zonas en las que la
conductividad de la tierra es mala, por ejemplo en montaña, la corriente del rayo puede seguir
los cursos del agua, los raíles del ferrocarril y los cables eléctricos. Entre las instalaciones de
mayor riesgo están los repetidores de TV y radio así como los ferrocarriles de montaña y
teleféricos, ya que a menudo sus cables y raíles proporcionan el mejor camino de conducción
desde el pico de una montaña (poco conductora) hasta el suelo del valle (mejor conductor).
Dado que la conductividad del suelo tiene valores finitos, la corriente de descarga se distribuye
por debajo del suelo en todas las direcciones, con zonas de alta conductividad que toman la
mayor parte de la corriente y la transportan a largas distancias hasta que se establece un
equilibrio de potenciales. Este efecto reduce las sobretensiones, ya que a mayor conductividad
menor sobretensión se produce en el suelo, aunque mayor es la distancia a la que son evidentes
sus efectos electromagnéticos.
Distancia (m)
10
50
100
200
400
700
1000
2000
5000
10000
d.d.p. (V)
796·103
53.1·103
10.5·103
3.8·103
970
320
158
40
6
2
Tabla 1: Diferencia de potencial en el suelo (tierra) a diferentes distancias del punto de caída de un rayo típico de
100 kA para una resistividad de suelo de 1kW/m
El aumento de la actividad de tormentas está relacionado con el cambio climático. Las
tormentas eléctricas empiezan a aparecer fuera de sus temporadas habituales y con una
actividad de rayos más intensa de lo normal cuya tendencia para los próximos años es a
incrementarse. El cambio climático a día de hoy es una gran incógnita. La realidad es que
estamos en un cambio o más bien en un proceso natural de adaptación de la naturaleza
referente a su entorno perturbado para encontrar su equilibrio. Lo que podemos afirmar hoy es
que esta adaptación de la naturaleza está modificando el clima, sea por la variación acelerada
del campo magnético (desplazamiento del Polo Norte magnético) o por la actividad frenética de
las tormentas solares (Erupciones solares). Los dos efectos pueden repercutir en una saturación
eléctrica del aire que respiramos, y acelerar caóticamente la actividad electroquímica natural de
la atmósfera. La reacción, repercutiría en grandes desplazamientos de masas de átomos
cargados, aniones y cationes generando vientos y cambios térmicos a causa del incremento de la
ionización del aire. Las zonas de la atmósfera más afectadas por el movimiento y concentración
de cargas inducirían a otras al intercambio para su compensación, incluyendo variaciones
instantáneas de las temperaturas del aire de las zonas. Estos intercambios termodinámicos
perturbarían las corrientes térmicas naturales, y se transformarían en grandes tormentas con
alto nivel de actividad eléctrica (rayos).
3 Efectos eléctricos producidos por la descarga de un rayo
(1), (4)
Los rayos son señales eléctricas de alta frecuencia, gran potencial y alta corriente, por lo que son
causa de interferencias en sistemas electrónicos. Durante la descarga del rayo se generan
inducciones y acoplamientos en las líneas de transporte eléctrico y de telecomunicaciones. Las
formas en que se acoplan las interferencias producidas por el rayo son:
Acoplamiento resistivo. Al caer un rayo sobre una construcción o sobre la tierra se
produce una elevación del potencial eléctrico que afecta a las tuberías y a los cables
enterrados, viajando a través de ellas hasta penetrar en las edificaciones. Especial riesgo
corren, como es de suponer, los cables y tuberías aéreas. Así, un rayo es capaz de inducir
corriente de 1.5 kA y 5kV en cables subterráneos y de 3 kA y 6 kV en cables aéreos.
Acoplamiento inductivo. Las enormes corrientes del rayo al impactar en tierra mediante
descargadores establecen un camino que genera un campo electromagnético que induce
a otros conductores voltajes destructivos de varios KVs.
Acoplamiento capacitivo. Debido a la naturaleza de alta frecuencia de los rayos se
producen acoplos capacitivos entre arrollamientos de alta a baja tensión
(transformadores), provocando fallos en las fuentes de equipos electrónicos y haciéndolos
más sensibles y débiles.
Como referencia, en cada impacto de rayo en un pararrayos tipo “Franklin”, antes, durante y
después de su descarga a tierra, se generan otros fenómenos eléctricos indirectos que
repercuten destruyendo las propias instalaciones y a veces las instalaciones vecinas en un radio
de acción proporcional a la intensidad de la descarga que puede alcanzar los 1500 metros.
A la frecuencia debida a la descarga del rayo, la impedancia de un cable de cobre usado en las
puestas a tierra (de unos 1.64 µH/m) presenta un carácter predominantemente inductivo. En
conductores de más de 10 metros la impedancia que representan es muy elevada, lo cual impide
la conducción de la corriente. Como los rayos se reflejan (como cualquier onda de alta
frecuencia) es básico que la impedancia a tierra sea baja para la descarga ya que todas las partes
del sistema conectadas a tierra subirán y bajarán su potencial con respecto a tierra durante el
tiempo de la descarga. Por todo ello, para dirigir a tierra las descargas atmosféricas se requiere
de las técnicas para señales en altas frecuencias.
3.1 Efectos directos
Los efectos directos de un rayo son la destrucción física causada por el impacto, pudiéndose
generar 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.
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.
11
12
3.2 Efectos secundarios
Los efectos secundarios no siempre son fácilmente identificados como la causa o el mecanismo
del rayo. La protección convencional o protección primaria no influirá ni reducirá ninguno de los
efectos secundarios; sin embargo sí que aumenta el riesgo de un evento. Las puntas de
pararrayos o terminales aéreos atraen el rayo y fortalecen una terminación del impacto muy
cerca de la zona de influencia, causando interferencias con los equipos existentes.
Además, la tendencia hacia la microelectrónica trae como consecuencia que los sistemas
electrónicos sean más sensibles a los fenómenos transitorios. Por ejemplo, transitorios de
menos de 3 V de pico o niveles de energía más bajos que 10–7 J pueden dañar o “confundir” a
esos sistemas y sus componentes.
3.2.1
Carga electrostática
La célula de tormenta induce una carga estática en cualquier estructura inmersa en la tormenta.
Esta carga estática estará relacionada con la carga de la célula de la tormenta. El resultado es
que se inducirá una diferencia de potencial en la estructura conductora respecto a tierra que
será una posible causa de interferencias. Este efecto se transforma visualmente en chispas que
salen de los materiales expuestos. A consecuencia de la carga electrostática se producen los
arcos secundarios, que son una de las interferencias más frecuentes.
Por ejemplo, en el caso de una punta de pararrayos, las cargas electroestáticas generan
interferencias y ruidos que se pueden acoplar en las líneas de datos o señales de TV y radio.
Durante la aparición de este fenómeno, por el cable de tierra del pararrayos circularan
corrientes superiores a los 150 A. Este valor se deduce porque las chispas aparecen a partir de la
ionización del aire y, para ionizar el aire, necesitamos como mínimo 1500 voltios en la punta de
un electrodo (dependiendo de la calidad del aire). Si aplicamos la Ley de Ohm y tomamos los
1500 Voltios como referencia de tensión (E) y 10 Ohmios de la resistencia de toma de tierra (R):
I = E / R = 150 A.
Figura 10: Esquema conceptual de una descarga electrostática típica
3.2.2
Pulsos electromagnéticos
Los pulsos electromagnéticos (EMP) son el resultado de los campos electromagnéticos
transitorios que se forman por el flujo de corriente a través del canal de descarga del rayo.
Después de establecerse el canal de descarga del rayo entre nube y tierra llega a formarse un
camino tan conductivo como un conductor eléctrico. El contacto físico de la energía del rayo en
el punto de impacto genera una chispa que se transforma en un pulso electromagnético que
viaja por el aire. En el mismo instante, el flujo de la corriente de neutralización que comienza a
fluir por los conductores eléctricos terrestres hacia la toma de tierra genera un campo
magnético. La energía radiada por el EMP en el aire viaja a la velocidad de la luz induciendo por
acoplamiento todo aquello referente a tierra que se encuentre a su paso, destruyendo así los
componentes electrónicos en un radio de unos 1500 metros y pudiendo llegar la señal radiada a
más de 300 km de distancia.
Figura 11: Esquema conceptual de un EMP
La intensidad del pulso electromagnético es variable en función de la intensidad de descarga del
rayo y del punto de contacto físico con el elemento impactado. El tiempo de la transferencia de
la corriente a tierra y el nivel de absorción de la tierra física determinarán los valores eléctricos
de acoplamiento en los equipos cercanos. Como estas corrientes de descarga crecen
rápidamente y alcanzan corrientes pico de cientos de miles de amperios, los pulsos magnéticos
que se crean pueden ser muy significativos. El voltaje inducido resultante dentro de cualquier
grupo donde existen varios cables que corren paralelamente puede ser también muy
significativo.
3.2.3
Pulsos electrostáticos
Los pulsos electroestáticos son transitorios atmosféricos y aparecen en los equipos por la
variación brusca del campo electroestático presente en la zona durante la tormenta eléctrica. La
causa de este fenómeno la genera la diferencia de potencial entre la nube y la tierra. Sus efectos
se transforman en pulsos eléctricos que aparecen a partir de impactos de rayos cercanos. Todo
aquello que se encuentre suspendido en el aire referente a tierra dentro del radio de acción
eléctrico de la tormenta se cargará con un potencial proporcional a su altura y al campo
electroestático presente, como si de un condensador se tratara. Por ejemplo, en las líneas de
datos o telecomunicaciones inmersas en un campo electroestático medio, a referencias de 10
metros de altura pueden padecer tensiones de entre 100 y 300 kV referidas a tierra.
13
14
3.2.4
Corrientes de tierra
La corriente transitoria de tierra es el resultado directo del proceso de neutralización que sigue
al impacto de un rayo. El proceso de neutralización se genera por el movimiento de la carga a lo
largo de la superficie de la tierra desde el punto donde se induce la carga hasta el punto donde
termina el rayo. Cualquier conductor enterrado o cercano a esa carga proveerá un camino más
conductivo.
Según la intensidad de descarga del rayo puede que las tomas de tierra no lleguen a absorber la
totalidad de la energía potencial descargada generando así retornos eléctricos por la toma de
tierra hacia el interior de la instalación eléctrica. Este fenómeno puede generar tensiones de
paso peligrosas. A este voltaje inducido se le llama corriente transitoria de tierra y aparece en
alambres conductores, tuberías y otras formas de conductores.
Aunque el proceso de descarga es muy rápido (20 µs) y la relación de crecimiento al pico es
pequeña (50 ns), el voltaje inducido será muy alto. La terminación de un rayo de retorno en la
tierra puede causar los efectos siguientes:
Puede causar arqueos a través de la tierra hacia tuberías de gas adyacentes, cables o
sistemas de tierra.
La corriente de sobrecarga puede circular por la tierra paralelamente al sistema
electrónico de tierra originando una distribución que eleva el potencial de tierra de
manera no uniforme en el sistema.
La diferencia de potencial entre electrodos o masas de tierra cercanos al impacto de rayo
también influye. Al producirse la descarga del rayo todos los fenómenos antes descritos
interactúan entre ellos y tienden a descargar a tierra. En función de la distancia entre electrodos
se generará una resistencia propia del semiconductor (el compuesto químico de la tierra física) y
aparecerán tensiones de paso peligrosas entre electrodos.
Otro fenómeno importante es la pérdida de iones de los electrodos en cada proceso de
transferencia y que repercute directamente en su vida útil. Cada impacto de rayo en un
pararrayos, genera una fuga brutal de corriente que pasa a tierra por medio del electrodo de
tierra. En ese momento, se crea un intercambio de iones, o electrolisis natural, entre el material
del electrodo y la tierra física. Este intercambio iónico brutal e instantáneo reacciona con el
entorno cristalizando parte de la tierra física. Cada descarga del rayo evapora el agua que
contiene la tierra a su alrededor modificando así la resistencia propia de la toma de tierra. Con el
tiempo los electrodos que se utilizan como puesta a tierra llegan a desaparecer. Ya en su primer
año de vida pierden contacto físico con la tierra y su capacidad de transferencia disminuye
peligrosamente a causa de la oxidación. Se tiene que tener en cuenta que todos los materiales o
puntos de contacto a tierra tienen diferentes valores de comportamiento eléctrico y que su
propia resistencia como conductor eléctrico puede variar considerablemente en función de las
condiciones que lo rodean (humedad, temperatura, contaminación química, etc.). Un
mantenimiento y revisión anual de las tomas de tierra eléctricas es obligatorio para garantizar
una buena disipación de las fugas de corriente.
Figura 12: Esquema conceptual de las corrientes de tierra
3.2.5
Sobrevoltaje transitorio
Se produce como consecuencia de los efectos anteriores en conjunto y puede causar graves
daños en los equipos o sistemas si éstos no están convenientemente protegidos. La carga
electrostática (y los consecuentes arcos secundarios) es lo más común.
La carga electrostática y los EMP inducen altos voltajes transitorios en cualquiera de los
conductores eléctricos que se encuentren dentro del área de influencia. Estos transitorios
causarán arqueos entre alambres o cables conductores y entre tuberías y tierra. Los arcos o
chispas de corriente electrostática en un punto vulnerable pueden iniciar incendios o
explosiones. Además, estos sobrevoltajes pueden llegar a través de los conductores hacia los
equipos o sistemas que estén dentro del área de influencia causando de esta manera fallos y
averías en los mismos si no están protegidos.
Debemos tener en cuenta que en un radio de unos 1.5 km desde el punto de impacto de un rayo
las instalaciones electrónicas pueden ser perturbadas y en ocasiones destruidas.
4 Protecciones contra la caída de rayos
(1), (2)
Los sistemas de protección contra descargas atmosféricas (SPDA), buscan minimizar los daños
ocasionados por las descargas de rayos. Debemos ser capaces de poder mitigar en cierto modo
la gran energía de un rayo. Para ello es preciso responder a altas exigencias en cuanto a
instalaciones eléctricas de edificios, facilitando una derivación segura del rayo al subsuelo
mediante las instalaciones de protección. La protección contra rayos es tan compleja que va más
allá de la simple instalación de un pararrayos o de un circuito de protección.
Tradicionalmente, la protección contra rayos ha pretendido atraer y desviar la energía de una
descarga eléctrica atmosférica hacia la tierra física. Aunque esto puede eliminar algunos de los
graves efectos de un impacto directo también resulta en otras desventajas y serios
inconvenientes.
No existe un sistema 100% efectivo, todos se ven afectados por los efectos secundarios en
cuanto a la proximidad con los campos electrostáticos y campos electromagnéticos, fenómenos
15
16
siempre peligrosos pero especialmente en áreas donde se manejan productos inflamables o
explosivos y equipos electrónicos. Por todo esto se establecen riesgos aceptables de daño y en
función de ellos una eficiencia del sistema.
Se puede establecer una clasificación de tres niveles de protección contra los efectos de los
rayos, tanto para los directos como para los 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. Es el referente a líneas de datos y transmisión, tarjetas de circuito
impreso y componentes electrónicos. También se le denomina protección fina.
4.1 Definición y distribución de zonas de protección
(1), (2)
En la realización de un proyecto de protección contra descargas atmosféricas resulta muy
conveniente dividir la instalación en diversas zonas de protección y dejar claramente definidos
los límites entre dos zonas contiguas.
Se pueden definir condiciones electromagnéticas determinadas para cada una de las zonas (la
magnitud de los campos eléctricos y magnéticos del rayo, de las tensiones y corrientes de
perturbación producidas por el rayo que se pueden admitir) y fijar los circuitos y conexiones para
todas las instalaciones metálicas que atraviesen la superficie de una zona en concreto.
Para la protección del volumen de un edificio, éste se divide en varias zonas que se configuran
mediante un apantallamiento del edificio, de los recintos y de los aparatos, aprovechando si se
puede componentes metálicos ya existentes, como fachadas metálicas, armaduras del
hormigón, carcasas metálicas etc. A partir del lado exterior en el que aparecen descargas
directas de rayos (campos electromagnéticos de rayo sin atenuar), y hacia el interior, se definen
las zonas de protección con una disminución paulatina del riesgo.
En el punto de intersección de las zonas de protección 0 y 1 (del exterior al interior del edificio)
todos los cables y conductores procedentes del exterior tienen que compensarse en potencial
para protección contra rayos con ayuda descargadores de corriente capaces de conducir, sin
destruirse, las corrientes parciales del rayo que se puedan producir.
En cada uno de los siguientes puntos de intersección de zonas dentro del volumen del edificio
hay que volver a definir compensación local de potencial, incluyendo todos los cables y
conductores que atraviesan ese punto de intersección. A esta compensación local de potencial
hay que conectar también todas las instalaciones metálicas situadas dentro una misma zona. Los
componentes, elementos y aparatos de protección a utilizar en cada compensación local de
potencial deberán elegirse de acuerdo con el riesgo existente en dicha zona.
Las exigencias que se requieren para los descargadores son diferentes dependiendo de la
transición de cada zona. Los descargadores de corriente de rayo se usarán en las transiciones de
zona 0 a 1 y los descargadores de sobretensión se usarán en las de zona 1 a superiores.
5 Protecciones primarias
(1), (2)
La función de las protecciones primarias es la de evitar los daños producidos en la
infraestructura de los edificios e instalaciones debidos al impacto directo de una descarga
atmosférica. Estos daños suelen venir en forma de incendios y electrocuciones. Habrá que tener
siempre presente que los mecanismos de protección primaria que se adopten tan solo protegen
al edificio e instalaciones exteriores, pero no a los equipos que haya dentro de la edificación.
Un sistema de protección primaria lo forman, entre otros, tres elementos fundamentales que
forman una cadena en la que ningún eslabón funciona correctamente sin el otro:
Sistema de captación (terminales aéreos o pararrayos)
Sistema de conducción (bajantes)
Sistema de drenaje (puesta a tierra).
En casos de protección extrema deben añadirse los sistemas de protección contra
sobretensiones y las mallas de tierra y equipotencialización para evitar tensiones de toque y
paso peligrosas.
Figura 13: Estructura de un sistema básico de protección primaria
5.1 Pararrayos
(1)
El pararrayos no es más que un dispositivo que, colocado a cierta altura, “capta” el rayo y lo
dirige a través de un cable hasta tierra. Como ya se ha comentado, las nubes de tormenta tienen
su base cargada negativamente, mientras que la región de tierra que se encuentra debajo de
ellas (por efecto de inducción electroestática) presenta carga positiva. Las cargas negativas de la
nube se repelen entre sí y son atraídas por las cargas positivas de tierra. Como el pararrayos está
conectado a tierra, sus electrones son repelidos por los de la nube, con lo que queda cargado
positivamente al igual que la tierra bajo la nube. El pararrayos logra ionizar el aire que lo rodea.
De esta manera, las partículas de aire cargadas positivamente son repelidas por el pararrayos y
atraídas por la nube, consiguiendo así un doble objetivo:
17
18
Al ser atraídos los iones del aire por la nube se produce una compensación del potencial
eléctrico neutralizando en parte la carga. Así, se reduce el potencial nube–tierra hasta
valores inferiores a los 10000 V, que marcan el límite entre el comportamiento dieléctrico
o conductor del aire y, por tanto, previenen la formación del rayo.
Conducen al rayo a tierra, ofreciéndole un camino de menor resistencia. Este camino es el
formado por el pararrayos, el conductor de descarga (bajante) y la toma a tierra.
Un fenómeno que debemos tener en cuenta es el de “disipación natural”, que es producida por
los árboles, vallas, rocas y demás objetos de forma puntiaguda, ya sean naturales o artificiales,
que se ven sometidos también al campo eléctrico de la nube de tormenta. Estos objetos
contribuirán a la compensación de potencial de forma natural ayudando a la neutralización de la
carga de la nube, con lo que se disminuye el riesgo cuando ésta llega sobre zonas habitadas o
peligrosas.
5.1.1
Pararrayos de puntas simples o tipo Franklin (PSF)
(1), (5)
Formados por una varilla de 3 a 5 m de largo, de acero galvanizado de 50 mm de diámetro con la
punta recubierta de wolframio (para soportar el calor producido en el impacto con el rayo). Si
además se desea prevenir la formación del rayo, pueden llevar distintos dispositivos de
ionización del aire. Se utilizan para proteger áreas pequeñas. Es un sistema óptimo para proteger
aquellas edificaciones donde la altura predomina sobre la superficie.
Su principio de funcionamiento se basa en su geometría particular que logra implementar el
efecto punta: las cargas alrededor de un conductor no se distribuyen uniformemente, sino que
se acumulan más en las partes afiladas. De esta manera, si se tiene un objeto en forma de punta
sometido a un intenso campo electrostático (como el generado por una nube de tormenta) la
acumulación de cargas en la punta es también muy elevada. Esta propiedad fue aprovechada por
Benjamín Franklin para diseñar su pararrayos a mediados del siglo XVIII y que aún hoy día se
siguen utilizando.
Figura 14: Pararrayos tipo Franklin
5.1.2
Pararrayos con dispositivos de cebado (PDC)
(4), (5)
Estos pararrayos proporcionan un mayor radio de protección y seguridad. Están provistos de una
o más puntas captadoras de acero, dispositivos de cebado y un eje sobre el que se soporta el
sistema de conexión del conductor de bajada. En España se llaman “PDC”, en Francia “PDA” y en
USA “ESE”.
Su principio de funcionamiento sigue siendo el mismo que los pararrayos tipo Franklin, la
diferencia tecnológica está en el sistema electrónico de cebado el cual aprovecha la influencia
eléctrica del aumento de potencial entre la nube y la tierra para autoalimentar el cebador y
“anticiparse” al rayo. Son componentes electrónicos que están alojados normalmente en el
interior de un envase metálico, están colocados en la parte más cercana de la punta del
pararrayos y sirven para excitar la avalancha de electrones (ionización). La excitación del rayo se
efectúa ionizando el aire por impulsos repetitivos. Según aumente gradualmente la diferencia de
potencial entre el pararrayos y la nube aparece la ionización natural. Son “mini descargas” que
salen de la punta con más intensidad para ionizar el aire más lejos. Este fenómeno es el principio
de excitación para trazar un camino conductor intermitente que facilitará la descarga del
fenómeno rayo.
Figura 15: Pararrayos PDC
El dispositivo electrónico de cebado del PDC está conectado en serie entre el cabezal aéreo y la
punta. Sólo funciona con rayos negativos. Necesita un campo eléctrico de alta tensión polarizado
y un tiempo de carga para activar su dispositivo electrónico. Éste generará un impulso de cebado
intermitente mientras exista el aporte de energía natural. En el campo de aplicación, el
dispositivo electrónico de cebado instalado en la punta del PDC necesita un tiempo de trabajo y
una polarización estable del campo eléctrico para efectuar la primera carga del sistema
electrónico de cebado. Durante ese proceso, el efecto de ionización se retrasa en la punta del
PDC referente a los sistemas convencionales de pararrayos en punta tipo Franklin. Está formado
por pequeños componentes electrónicos sensibles a los campos electromagnéticos: diodos,
bobinas, resistencias y condensadores aislados entre sí por una resina. Este dispositivo se
encuentra instalado en el cabezal aéreo.
El conjunto está dentro de la influencia directa de los efectos térmicos, electrodinámicos y
electromagnéticos que genera el impacto del rayo durante la descarga. En función de la
intensidad de descarga del rayo, la destrucción del dispositivo electrónico es irreversible. A partir
de ese momento, la eficacia del PDC no está garantizada. El objetivo de estos pararrayos es
excitar la descarga y capturar el impacto del rayo negativo a tierra (nunca los positivos), para
conducir su potencial de alta tensión a la toma de tierra eléctrica. Según la norma, el conjunto
de la instalación no garantiza la protección de las personas, animales e instalaciones. Algunos
fabricantes aconsejan la revisión del circuito electrónico del pararrayos cada vez que recibe un
impacto.
19
20
5.1.3
Pararrayos reticulares o de Jaula de Faraday
(1)
Aquellos edificios con un índice de riesgo muy elevado o que por cuestiones estéticas no se
recomiende el uso de un pararrayos, pueden protegerse mediante este sistema. La estructura
está formada por una red conductora en forma de malla metálica conectada a tierra que protege
todo el volumen de la instalación. En el caso de un impacto de rayo, la corriente se distribuye
por toda la malla y se neutraliza en las diferentes puestas a tierra.
Figura 16: Jaula de Faraday
Hay que hacer notar que los edificios modernos con estructura metálica, cumplen una función
similar a las jaulas de Faraday, por lo que la probabilidad de que un rayo entre en uno de estos
edificios es extremadamente pequeña.
5.1.4
Métodos de diseño para la ubicación de pararrayos
(2), (6)
Ángulo protector
Los conductores, mástiles y barras, que forman parte del sistema de terminación de aire (del
pararrayos), deben ser instalados de tal forma que todas las partes de la edificación que se busca
proteger se encuentren incluidas en la superficie generada por los puntos proyectados por los
conductores de este sistema respecto a un plano de referencia, con un ángulo α respecto a la
vertical en todas las direcciones.
A:
punta del pararrayos.
B:
plano de referencia.
OC: radio del área protegida.
ht:
altura por encima del plano de
referencia de la punta del pararrayos.
α:
ángulo protector.
Figura 17: Espacio protegido por un pararrayos de un solo mástil
En la Tabla 2 se muestra el valor, según la normativa, del ángulo necesario respecto a la altura y
el nivel de protección. Es importante resaltar que el método del ángulo protector tiene
limitaciones geométricas y no debe aplicarse si la altura h es mayor que el radio R de la esfera
rodante (método que se explica a continuación), con lo que queda en evidencia que este método
se utiliza preferiblemente para la protección de estructuras simples o sub-zonas pequeñas
pertenecientes a edificaciones más grandes.
Nivel de
protección
I
II
III
IV
Altura [m]
Radio [m]
20
30
45
60
20
30
45
60
25°
35°
45°
55°
25°
35°
45°
25°
35°
25°
Ancho de la
malla [m]
5
10
10
20
Tabla 2: Parámetros de acuerdo a los niveles de protección seleccionados para el sistema de protección contra
descargas a tierra
Esfera rodante
El método de la esfera rodante debe utilizarse para identificar el espacio protegido (edificación o
parte de ésta considerada como protegida por el SPDA contra los efectos electromagnéticos
asociados a las descargas atmosféricas) de la estructura cuando la norma excluye la utilización
del método del ángulo protector. El radio de la esfera se escoge de acuerdo al nivel de
protección seleccionado para el SPDA y se puede observar en la Tabla 2.
Para determinar el espacio protegido se sigue el siguiente procedimiento:
Se reproducen los objetos a proteger (edificios, estadios deportivos, o instalaciones
industriales) y los pararrayos previstos en un modelo.
Se construye una esfera, de acuerdo con la escala del modelo, con el radio
correspondiente al nivel de protección seleccionado para el SPDA.
La “esfera de atracción” se hace pasar rodando alrededor de todo el modelo y también en
todas las posiciones posibles.
Figura 18: Aplicación del método de la esfera rodante y zona protegida por un terminal
Si al hacer esto último la esfera solamente toca los pararrayos, entonces el objeto se encuentra
totalmente situado dentro del espacio de protección. Si alguno de los pararrayos no cae dentro
de la zona barrida puede considerarse un elemento superfluo. Si la esfera, al hacerla girar por
encima del modelo toca el objeto a proteger en algún punto, dicho objeto se encuentra
insuficientemente protegido en este punto y hay que completar la instalación de los elementos
de protección contra descargas atmosféricas de forma que la esfera toque solamente a éstos.
Mallas protectoras
Se considera que para la protección de superficies planas se puede utilizar una malla si se
satisfacen las siguientes condiciones:
21
22
Los pararrayos se localizan sobre las líneas de los bordes de los techos o azoteas de las
edificaciones.
Las superficies laterales de la edificación están equipadas con pararrayos para niveles por
encima del valor del radio de la esfera rodante correspondiente (ver Tabla 2).
Las dimensiones de la cuadrícula de la red no son mayores que las estipuladas por la
normativa (ver Tabla 2).
La red se instala de forma tal que se garantice que la corriente proveniente de la descarga
atmosférica siempre encontrará, al menos, dos rutas de metal distintas hacia la tierra del
sistema de protección. Se tiene especial cuidado en no excluir partes de metal
pertenecientes a la edificación y que deben ser incluidas dentro del volumen protegido.
Figura 19: Aplicación del método de mallas
Todo el espacio de la edificación situado por debajo de esta red puede considerarse como
protegido. Sin embargo, para edificaciones cuya altura supera los 30 metros se deben proteger
las paredes laterales con elementos de atracción (conductores) dispuestos horizontalmente para
prevenir las descargas laterales. A partir de los 30 metros de altura hay que instalar estos
elementos cada 20 metros (ver Figura 20).
Figura 20: Conductores dispuestos horizontalmente en edificios de más de 30 metros de altura
5.2 Bajantes
(2), (6)
Su misión es conducir la corriente de la descarga atmosférica desde el sistema de captación al
sistema de puesta a tierra. Está formado por conductores y elementos de metal que aseguran un
camino para la corriente. La selección del número y posición de los conductores bajantes debe
tener en cuenta que si la corriente proveniente de la descarga atmosférica se divide entre varios
conductores bajantes, se pueden reducir los riesgos de descargas laterales entre éstos así como
también las perturbaciones electromagnéticas en el interior de la estructura protegida. En este
sentido, los conductores deben colocarse de forma uniforme alrededor del perímetro de la
edificación y con una configuración simétrica asegurando una continuación directa de los
captadores. Los bajantes deben cumplir ciertos requisitos:
Tener los calibres estipulados por la normativa (ver Tabla 3).
Nivel de
protección
Material
Todos
Cu
Al
Fe
Calibre del
conductor
AWG #8
AWG #8
AWG #4
Tabla 3: Calibre de los conductores bajantes de acuerdo a la normativa
Ser tan cortos como sea posible (para mantener los valores de inductancia bajos).
La ruta debe ser seleccionada adecuadamente a fin de evitar al máximo los rayos o
descargas laterales, no solo como chisporroteo en el propio cable, sino también como
protección para estructuras metálicas vecinas (ventanas, bajantes de basura, agua,
tuberías de gas, cableado eléctrico, etc).
La distancia promedio entre conductores, que determina la cantidad de bajantes, debe
respetar los valores establecidos por la normativa (ver Tabla 4).
Nivel de
protección
I
II
III
IV
Distancia
promedio [m]
10
15
20
25
Tabla 4: Distancia promedio de los conductores bajantes según el nivel de protección requerido
El tipo de conductor también es importante y especialmente en lo referente a inductancia propia
como parámetro determinante (ya que el calentamiento no suele ser un problema para las
secciones más utilizadas en la práctica). Existen tres tipos básicos de conductores comerciales:
Cilíndricos convencionales (aislados). Tienen inductancias del orden de 1 µH/m.
Conductores planos. Tienen inductancias del orden de centenas de nH/m.
Conductores tubulares tipo guía de onda que garantizan inductancias del orden de
decenas de nH/m.
Al final mandará el compromiso de la importancia de la instalación y el costo del producto.
5.3 Puesta a tierra
(1), (2), (6)
La misión del sistema de puesta a tierra (SPAT) es garantizar la menor impedancia a tierra para
lograr descargar de forma rápida y segura (sin sobrevoltajes peligrosos) las corrientes del rayo
que provienen de los bajantes. Se compone de:
23
24
Tomas de tierra (electrodos)
Anillos de enlace con tierra
Punto de puesta a tierra
Líneas principales de tierra
Figura 21: Ejemplo de un esquema de puesta a tierra
Con una adecuada selección de su geometría tendremos un mejor control de las tensiones de
paso. Para efectos de descargas atmosféricas es más importante la forma y las dimensiones del
SPAT que los valores específicos de las resistencias de los electrodos. Sin embargo, también se
recomienda un valor de resistencia pequeño para los electrodos ya que el valor de la resistencia
del SPAT para eventos transitorios (como es el caso de los rayos) depende tanto de la
configuración geométrica del sistema como de la resistencia de dichos electrodos.
Los parámetros más importantes que hay que tener en cuenta a la hora de diseñar un sistema
de puesta a tierra son:
Resistividad, permeabilidad, humedad y granulometría del suelo.
Variación temporal de la humedad.
Lograr una baja impedancia de puesta a tierra a las frecuencias de interés.
Controlar las tensiones de toque y paso.
Lograr un punto de puesta a tierra único en toda la instalación por medio de la
equipotencialización.
Los estándares internacionales recomiendan un rango de valores para la resistencia del SPAT
alrededor de unos 5Ω para instalaciones de telecomunicaciones (además, se recomienda utilizar
una configuración geométrica para este sistema en vez de un solo conductor)
5.3.1
Electrodos
Los electrodos son elementos metálicos que permanecen en contacto directo con el terreno.
Estarán construidos con materiales inalterables a la humedad y a la acción química del terreno.
Por ello, se suelen usan materiales tales como el cobre, el acero galvanizado y el hierro zincado.
Según su estructura, los electrodos pueden ser:
Placas: serán de cobre o hierro zincado, de al menos 4 mm de grosor y una superficie útil
nunca inferior a 0.5 m2. Se colocarán enterradas en posición vertical de modo que su
arista superior quede, como mínimo, a 50 cm bajo la superficie del terreno. En caso de ser
necesarias varias placas, están se colocarán separadas una distancia de 3 m.
Picas: pueden estar formadas por tubos de acero zincado de 60 mm de diámetro mínimo
o de cobre de 14 mm de diámetro y con unas longitudes nunca inferiores a los 2 m. En el
caso de ser necesarias varias picas la distancia entre ellas será, al menos, igual a la
longitud.
Conductores enterrados: se usarán cables de cobre desnudo de, al menos, 35 mm2 de
sección o cables de acero galvanizado de un mínimo de 2.5 mm de diámetro. Estos
electrodos deberán enterrarse horizontalmente a una profundidad no inferior a los 50 cm.
Mallas metálicas: formadas por electrodos simples del mismo tipo unidos entre sí y
situados bajo tierra.
Figura 22: Longitud mínima de los electrodos de tierra de acuerdo al nivel de protección seleccionado para el SPDA
Podemos tener, según la instalación, dos tipos de arreglos de electrodos:
Tipo A: Está compuesto por electrodos de tierra verticales o radiales. Se utiliza para SDPAs
aislados. Cada conductor bajante debe ser conectado a un electrodo de tierra separado, ya
sea radial o vertical (puede ser inclinado). El número mínimo de electrodos debe ser de dos y
las longitudes mínimas para cada uno deben ser h1 para los electrodos radiales horizontales o
0.5·h1 para los electrodos verticales, siendo h1 la longitud del electrodo de acuerdo al nivel de
protección seleccionado (ver Figura 22)
Tipo B: Se utiliza cuando se ha instalado un sistema de pararrayos en forma de malla o
cuando se tiene una gran cantidad de conductores bajantes. Para los electrodos de tierra en
anillo el radio del área encerrada por el anillo no debe ser menor a h1 (de acuerdo a la Figura
22). Si el radio del electrodo disponible resulta menor a h1 se requiere la instalación de
electrodos horizontales adicionales los cuales deben tener una longitud hr = h1 – r o de
longitud vertical hv = 0.5· (h1 – r).
25
26
En cualquier caso, la sección del electrodo debe ser tal que ofrezca menor resistencia que la del
conductor de las líneas principales de tierra. La resistencia del electrodo depende de su forma,
de sus dimensiones y de la resistividad del terreno. Como la tierra no tiene la misma resistividad
en todos sus puntos, pueden existir distintos potenciales entre dos placas de metal enterradas.
Por esta razón, en un sistema de protección formado por múltiples placas conectadas entre sí
mediante una malla, se pueden originar campos electromagnéticos generados por la corriente
de descargas a través del pararrayos y los electrodos de la toma de tierra. Además, con la caída
de un rayo en las inmediaciones de un edificio, y fluir la corriente de descarga por la tierra, esta
diferencia de potencial entre las tomas de tierra hará que por la malla circule una corriente, que
puede crear campos eléctricos y magnéticos que afectarán negativamente a los aparatos
electrónicos que se encuentren en el edificio. Para intentar reducir estos efectos, será necesario
hacer uso de protecciones secundarias.
5.3.2
Anillos de enlace con tierra
El anillo de enlace con tierra está formado por un conjunto de conductores que unen entre sí los
electrodos así como con los puntos de puesta a tierra. Suelen ser de cobre de al menos 35 mm 2
de sección.
5.3.3
Punto de puesta a tierra
Un punto de puesta a tierra es un punto, generalmente situado dentro de una cámara, que sirve
de unión entre el anillo de enlace y las líneas principales de tierra.
5.3.4
Líneas principales de tierra
Son los conductores que unen al pararrayos con los puntos de puesta a tierra. Por seguridad,
deberá haber al menos dos trayectorias a tierra por cada pararrayos para asegurarnos una
buena conexión. Así mismo, se deben conectar a los puntos de toma de tierra todas las tuberías
metálicas de agua y gas, canalones y cubiertas metálicas que pudieran ser alcanzadas por un
rayo. Para reducir los efectos inducidos, estos conductores estarán separados un mínimo de 30
m y cualquier parte metálica del edificio no conductora de corriente estará a un mínimo de 1.8
m.
6 Protecciones secundarias
(1)
La protección secundaria se encarga de la protección a nivel de la alimentación, de limitar las
tensiones y corrientes. Su misión es reducir los efectos eléctricos y magnéticos que la corriente
de descarga de los rayos pueda producir de forma indirecta en los equipos electrónicos y
sistemas de comunicaciones. No son tan obvios como los efectos directos, pero pueden producir
efectos muy perjudiciales si no se han tenido en cuenta las protecciones oportunas.
La técnica de absorción de sobretensiones se ocupa de reducir éstas a valores que no sean
peligrosos para el equipo o instalación eléctrica. Los limitadores de sobretensión se instalan
donde se espera que pueda llegar un pulso perturbador de sobretensión para lograr tener a su
salida una tensión máxima que no interfiera el circuito situado a continuación. Así, los
limitadores dispuestos en circuitos protectores a nivel secundario y terciario limitan las
sobretensiones y pueden servir, en casos extremos, como dianas para ser perforados (ver Figura
23). Se dividen en dos grupos:
Limitadores de corriente de rayo: capaces de conducir, sin destruirse, corrientes parciales
de rayo. Se emplean en los puntos de intersección entre las zonas de protección 0 y 1.
Limitadores de sobretensión: para descargar las perturbaciones causadas por el rayo y
condicionadas por los cables (a instalar en los puntos de intersección entre las zonas de
protección 0 y 1 así como entre 1 y superiores).
Figura 23: Destrucción de un descargador por la caída de un rayo
6.1 Limitadores de sobretensión
(1), (7)
Las consideraciones principales a tener en cuenta para evaluar cualquier tipo de limitador son:
Prestar atención, sobre todo, a las características siguientes: energía, temperatura,
dimensiones, tiempos de respuesta, corrientes de fuga y capacidad del limitador.
Las tensiones disponibles: es importante disponer de una tensión limitadora lo más
cercana posible a la deseada.
El coste por Joule.
La fiabilidad: funcionamiento a la máxima temperatura, desgaste, etc.
El limitador no debe interferir con el funcionamiento normal del equipo.
Durante su funcionamiento dinámico debe limitar instantáneamente la sobretensión a un
nivel de seguridad.
Como no contribuye al funcionamiento del sistema, debe tener un bajo coste relativo al
costo global del sistema.
Para la evaluación de las condiciones transitorias y permanentes se debe tener en cuenta que:
Debe definirse, o estimarse, la forma de onda del transitorio en cuanto a su impedancia
de fuente y al pico de tensión o corriente. La forma de onda del pico puede describirse
con las formas estándares asociadas al tipo de sobretensión esperado.
Debe determinarse la máxima potencia a disipar. Un factor que influye en la potencia
disipable en un limitador es la frecuencia de repetición de los picos: a mayor frecuencia de
repetición es necesaria una mayor potencia.
Una característica importante de un limitador es su rapidez de respuesta en la supresión
de sobretensiones, lo cual incluye el tiempo de respuesta y la tensión de limitación.
27
28
Determinar la tensión de limitación del supresor.
6.1.1
Descargadores abiertos
Se usan en protecciones secundarias. El aire ambiente se usa como dieléctrico y su tensión de
encendido no puede definirse de forma exacta, pues depende de la humedad o de las impurezas
del aire. Generalmente, sólo se utilizan en las instalaciones en las que se permite una tensión
residual relativamente alta, como por ejemplo en instalaciones de pararrayos. Después del paso
del transitorio de sobretensión la conducción cesa y el aislamiento original se restablece.
Ventajas
Corriente de fugas nula
Baja capacidad
Gran capacidad de disipación de energía
Inconvenientes
Lentitud
Tensión de encendido depende de la
presión atmosférica, la humedad y de
impurezas del aire y suciedad
Tensión residual elevada
Riesgo de fuego
Descargadores abiertos de contorneo deslizante
Poseen electrodos de cobre-wolframio separados por un plástico especial que gasea cuando el
arco voltaico se encuentra muy cercano al mismo, creando una corriente de aire que empuja al
arco voltaico hacia fuera provocando el apagado de la repetición de la red. Cuando cesa el
impulso perturbador, el arco voltaico se extingue y la acción aislante del descargador se
restablece. Tiene una tensión de encendido relativamente alta de unos 2 o 3 kV y depende
significativamente del impulso perturbador.
Ventajas
Tensión de encendido independiente del
gradiente del impulso
Inconvenientes
Tensión de encendido muy elevada (2-3 kV)
Tensión de encendido depende del impulso
Descargadores abiertos de gas
Formado por un tubo cerámico o de cristal en el que se encuentran dos electrodos. La cámara
está llena de gas noble (generalmente argón o neón) y se encuentra a una determinada presión.
La composición del gas noble permite un mecanismo de encendido: se inicia un proceso de
ionización por el cual la resistencia de descarga de gas disminuye. Después del encendido,
cuando se tiene energía suficiente en el impulso, tiene lugar la descarga total.
La posibilidad de que el gas permanezca ionizado depende de la tensión de servicio del sistema y
de la corriente de seguimiento, la intensidad que circula a través suyo mientras está
descargando. Ésta se origina cuando la distancia de descarga en el descargador de gas es de baja
resistencia, por lo que la corriente de red normal pasa a través del descargador de gas, o
aumenta su valor debido a que la resistencia es más baja que la impedancia de la carga. Si no se
puede interrumpir independientemente la corriente de red debe insertarse un fusible entre el
descargador de gas y la red o bien un varistor en serie.
Ventajas
Alto poder de disipación energética
Buena resistencia al calentamiento
Alta resistencia
Amplio margen de tensiones limitadoras
Larga vida
Baja resistencia en conducción
Seguridad inherente por cortocircuito
6.1.2
Inconvenientes
Lentitud en el tiempo de respuesta
Alto coste
Pueden estropearse con una tensión
excesiva
Si tienen fugas puede aumentar su
tensión
La tensión de encendido depende del
gradiente del impulso
No son autoextinguibles
Varistores
Son resistencias no lineales cuyo valor disminuye con el aumento de la tensión en sus extremos.
Son limitadores bipolares.
Varistores de óxido de zinc
Tienen mejores características de intensidad-tensión que el otro tipo de varistores: de carburo
de silicio. Un varistor de óxido de zinc contiene 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. Así pues, el comportamiento eléctrico del varistor de óxido de zinc queda
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.
Ventajas
Rapidez en el tiempo de respuesta
El más bajo coste por J
Buena disponibilidad de tensiones de
limitación
Buena fiabilidad
Baja intensidad de fuga
Adecuado para bajas tensiones
Inconvenientes
Mala disipación de energía
Mala resistencia al calentamiento
Envejecimiento
Alta capacidad
Varistores de carburo de silicio
Ventajas
Rapidez en el tiempo de respuesta
Alta capacidad energética
6.1.3
Inconvenientes
Alta intensidad de fuga
Alta tensión de limitación
Alta capacidad
Diodo supresor 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
29
30
resistencia de conducción. Las corrientes de derivación de estos componentes pueden ser, como
máximo, de varias centenas de amperios.
Ventajas
Rapidez de respuesta
Tensión de conducción muy próxima a la
tensión de protección requerida
El mejor factor de limitación
Gran fiabilidad
Buena disponibilidad de tensiones de
limitación
Inconvenientes
Mala disipación de energía
Corriente admisible limitada
Alto coste por J
Figura 24: Acción conjunta ante una sobretensión de diferentes limitadores conectados en serie
7 Protecciones terciarias
(1), (8)
La protección terciaria es la que se aplica a las líneas de datos, entradas/salidas y
comunicaciones internas en un equipo electrónico. También se suele llamar a este nivel, nivel de
protección fina. Existen multitud de circuitos y esquemas de protección para los distintos
sistemas. En este punto nos centraremos solo en algunos casos a modo de ejemplo.
7.1 Circuitos de protección básicos
En la Figura 25 se muestran algunos circuitos básicos que se utilizan para prevenir
sobretensiones:
a) Protección en líneas equilibradas de comunicaciones.
b) Protección contra descargas en antenas (insuficiente protección de componentes
posteriores).
c) Gran capacidad de absorción de corriente, ideal para líneas de red.
d) Circuito mejorado. El inductor permite la conmutación de sobrecorriente del varistor al
descargador.
e) Evita la corriente de seguimiento de la red.
f) También evita la corriente de seguimiento de la red, pero mejora el anterior.
g) Dobla la capacidad energética de limitación de sobretensiones.
h) Igual que el anterior pero más rápido.
i) Ideal para líneas de comunicaciones: es mejor que el circuito d), pero peor cuando los
impulsos de sobretensión tienen una pendiente lenta.
j) El automatismo sirve para evitar que el varistor quede cortocircuitado en caso de
envejecimiento.
k) Circuito básico de protección en modo común.
Figura 25: Algunos circuitos de protección ante descargas
7.2 Protecciones de red
En la Figura 26 vemos tres ejemplos. El primero, es un circuito básico que puede proteger una
línea de red en modo diferencial y en modo común. El segundo, es un circuito de protección en
modo común con tres escalones (puede quedar un cierto nivel de tensión diferencial). El tercero,
es un circuito completo de protección en modo común y en modo diferencial.
Figura 26: Circuitos de protección de red
31
32
7.3 Protecciones para entrada de linea de datos
Figura 27: Circuitos de protección para entrada de linea de datos
7.4 Protecciones con diodos supresores
Figura 28: Circuitos de protección con diodos supresores
7.5 Protecciones contra sobretensiones de alta frecuencia
Figura 29: Circuitos de protección contra sobretensiones de alta frecuencia
7.6 Protección de alta seguridad
Figura 30: Circuitos de protección contra sobretensiones de alta frecuencia
33
34
Apéndice: Descripción detallada de la formación del rayo
(2), (4)
Una de las teorías más aceptadas para explicar la formación de la descarga nube–tierra, es la de
“Schonland”, según la cual el ciclo de la nube de tormenta (cumulus-nimbus) y la consecuente
descarga denominada rayo, se puede resumir en las siguientes etapas:
A. Las cargas eléctricas en la nube se encuentran distribuidas en forma no homogénea,
existiendo por consiguiente concentraciones desiguales de carga en el seno de la misma. Y
alrededor del 90% de las nubes poseen la concentración de cargas negativas en su parte
inferior. La explicación del por qué la concentración es de esa forma, no está clara, aunque
tiene que ver con las temperaturas existentes en la parte superior de la nube (-40ºC), que
hace que las gotas de agua se conviertan en cristales de hielo y en conjunto con las cargas
que se mueven desde la superficie por culpa de la convección y las colisiones entre estas
partículas dan origen a dicha distribución (Cristales de hielo = q+ y gotas de agua = q-).
B. La concentración de carga en la nube, provoca altos gradientes de campo eléctrico. Una vez
que dicho gradiente (tensión en la nube cerca de 10 millones de voltios) sobrepasa el valor
crítico, comienzan a ocurrir pequeñas descargas en el seno de la nube. Estas, en virtud de la
ionización por choque en el aire, van degenerando en una forma de avalancha, denominada
“Pilot Streamer” o descarga piloto, la cual avanza a una velocidad promedio de 150 Km/seg
(aproximadamente 1/20 veces la velocidad de la luz).
C. La rama de la descarga piloto orientada hacia la tierra logra imponerse en su crecimiento
hacia la tierra, viéndose acompañada de pequeños puntos luminosos característicos de las
descargas escalonadas “Stepped Leaders”. Durante este proceso, la luminosidad es baja y la
corriente no excede de unos pocos amperios. Las descargas escalonadas parecen tener su
origen en la acción del viento, llegando raras veces a tierra; esto se debe a que la
intermitencia de la descarga piloto (de 30 a 90 μseg) les sustrae la energía necesaria para
tales fines. Esta etapa ocurre a mucha mayor velocidad (aproximadamente a un 3 % de la
velocidad de la luz).
El incremento del gradiente eléctrico de la tierra al aproximarse la descarga a ésta, favorece
a la formación de un canal de recepción; dicho canal muchas veces puede ser distinto al
suelo, es decir, que puede ser un objeto el causante del canal de recepción “Upward
Streamer”, y es de notar que rara vez dicho canal supera los 30 metros de altura. Y puede
tener llegar a ser notorio desde muchos puntos en el entorno.
D. El canal de recepción sale entonces al encuentro de la descarga piloto, la cual trae una gran
cantidad de cargas negativas (positivas muy pocas veces), formándose así un canal
plasmático.
Para neutralizar la carga en la nube, una gran cantidad de cargas opuestas salen de tierra
utilizando el mismo canal previamente ionizado. A través del canal plasmático ocurrirán
todas las descargas sucesivas, de las cuales la primera es la denominada de retorno o
“Return Stroke”.
La velocidad de propagación de ésta descarga es aproximadamente 10% de la velocidad de
la luz, lo cual causa que sea apreciable el valor de la intensidad de corriente que puede
35
36
alcanzar valores de hasta 400 kAmp. Mientras la descarga principal requiere de un tiempo
aproximado de 20 mseg para llegar a tierra, la descarga de retorno acusa un tiempo
promedio de 100 μseg. El manejo de esa gran cantidad de energía en tan poco tiempo,
hace que en canal plasmático de la descarga se produzca una temperatura del orden de
30000ºC (5-6 veces la temperatura de la superficie del sol), lo cual produce un canal de alta
presión originando una onda expansiva que es lo que origina un fuerte sonido denominado
trueno. La forma de onda de la corriente del “Return Stroke”, es determinada por la rata de
descarga del canal plasmático, la cual es función de la velocidad del retorno y de la
distribución de las cargas a lo largo del canal.
E. El impacto provocado por las cargas eléctrica que la descarga de retorno introduce en el
seno de la nube es tan fuerte, que en la mayoría de los casos origina una segunda descarga
orientada hacia tierra, denominada descarga secundaria o "Dart Leader”, con una velocidad
promedio de 1% la de la luz. Este par de fenómenos (Return Stroke/Dart leader), puede
repetirse un número de veces apreciable y esto se denomina descargas sucesivas o “Multiple
Stroke”, que consisten en descargas separadas que utilizan el mismo canal plasmático. Cerca
del 50% de las descargas que ocurren son múltiples y el intervalo de tiempo entre descargas,
va desde 0.5 mseg, hasta 0.5 seg.
Figura 31: Pasos que sigue el rayo en su formación
Bibliografía
1. Cristóbal Tejedor, Jesús y García López, Eduardo. Protección contra descargas atmosféricas.
Compatibilidad Electromagnética (I.T.I. esp. Electrónica Industrial). [En línea] 2003.
http://www.lpi.tel.uva.es/~nacho/docencia/EMC/trabajos_02_03/Proteccion_contra_descargas_atmosfer
icas/Index.htm.
2. Martínez Lozano, Miguel. Protección contra descargas atmosféricas, breve descripción. Universidad
Simón Bolívar de Caracas (Venezuela). [En línea] Noviembre de 2004.
http://prof.usb.ve/mmlozano/DOCS/ODA-formato.pdf.
3. Carretro Porris, Olinda y Martín León, Francisco. La formación de rayo. INT S.L. [En línea] Septiembre
de 2006.
http://www.pararrayos.info/pdf/La%20formacion%20del%20rayo%20%20SEPTIEMBRE%20%202006.ppt.
4. Rayos NO, gracias. [En línea] Febrero de 2006. http://www.pararrayos.info/web/formacion.html.
5. Sisproint. El Rayo. [En línea] http://www.sisproint.com/.
6. Díaz Golding, Liliana Coromoto. Compatibilidad electromagnética de equipos electrónicos ante
descargas atmosféricas. [En línea] Octubre de 2004. http://prof.usb.ve/mmlozano/DOCS/EMC-rayos.pdf.
7. García-Linares Álvarez, Lucía. Limitadores de sobretensión. Temper, S.A. [En línea]
8. Cabrera Peña, José María. Dispositivos de potencia. [En línea]
http://www.ulpgc.es/descargadirecta.php?codigo_archivo=35563.
9. Crowley, Dave y Teague, Justin. Lightning safety. Stormguy. [En línea]
http://stormguy.com/content/view/24/46/.
10. Rodríguez Montes, Ángel. Pararrayos y posibles efectos peligrosos para la salud. Waste magazine. [En
línea] http://waste.ideal.es/pararrayos-2.htm.
11. Rodríguez Montes, Ángel. Pararrayos radioactivos. INT S.L. [En línea]
http://www.pararrayos.info/pdf/pararrayos%20radioactivos.ppt.
12. Rodríguez Montes, Ángel. Los efectos peligrosos de los pararrayos. INT S.L. [En línea] 2007.
http://www.pararrayos.info/pdf/Los%20efectos%20peligrosos%20de%20los%20pararrayos%202007.pps.
13. Rodríguez Montes, Ángel. Pararrayos, un peligro de alta tensión. INT S.L. [En línea] 2007.
http://www.pararrayos.info/pdf/pararrayos%20un%20peligro%20de%20alta%20tension%202007.pps.
14. INT S.L. Pararrayos CTS y CEC, cómo funcionan, implantación y seguimiento. [En línea] Agosto de 2006.
http://www.pararrayos.info/pdf/Pararrayos%20CTS%20%20Agosto%202006.pdf.
15. Información sobre rayos y truenos. Sky-Fire. [En línea] http://sky-fire.tv/index.cgi/lightning.html.
16. BEYSA, Montajes Eléctricos Hernani S.L. Pararrayos. [En línea] http://www.beysasl.com/pararrayos.htm.
17. Agulleiro, Ignancio. Técnicas modernas para la medición de sistemas de puesta a tierra en zonas
urbanas. [En línea] http://prof.usb.ve/mmlozano/DOCS/MMPAT.pdf.
37
38
18. Da Silva, Alexander y Laffont, Levys. Herramienta para el cálculo de sobretensiones inducidas en
líneas aéreas, considerando la resistividad de tierra. Universidad Simón Bolívar, Coordinación de Ingeniería
Eléctrica. [En línea] Marzo de 2000. http://prof.usb.ve/mmlozano/DOCS/LIOV.pdf.
19. García Bish, Juan Ramón. Protección contra descargas atmosféricas y puesta a tierra. [En línea]
http://www.andinalink.com/es/exhibit/2003/curses/files/catv/proteccion_contra_descargas.ppt.
20. Martínez Lozano, Miguel. Diseño de sistemas de puesta a tierra. [En línea]
http://prof.usb.ve/mmlozano/DOCS/PAT-I.pdf.
21. Ramírez Díaz, Jorge y Martínez Lozano, Miguel. Influencia de las sobretensiones por descargas
atmosféricas y comportamiento de los sistemas de puesta a tierra. Universidad Simón Bolívar, Grupo de
Investigación en alta tensión. [En línea] Febrero de 2004. http://prof.usb.ve/mmlozano/DOCS/ALTAE.pdf.
22. Rodríguez Montes, Ángel. Pararrayos, su función y posibilidades. Waste magazine. [En línea]
http://waste.ideal.es/pararrayos-1.htm.

Protección contra rayos

Transcripción

Documentos relacionados

Fotos especiales.pps - Amnesia International

Prevectron ® 2 Millenium Prevectron ® 2 Millenium