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DESCARGAS ATMOSFÉRICAS 1 - INTRODUCCIÓN Entre otros fenómenos climatológicos podemos señalar aumento progresivo de las tormentas, así como de la actividad eléctrica asociada a ellas. Evidencia de esa actividad son las más de aproximadamente 40000 tormentas que se producen en el mundo, la consecuente actividad eléctrica reflejada por la caída de aproximadamente 100 rayos por segundo – 3000 millones rayos/año. Como consecuencia del cambio climático esa actividad ha ido creciendo paulatinamente y continúa con esa tendencia a causa del cambio climático.

2 - EL RAYO - Forma de manifestación de energía El rayo es una manifestación de energía eléctrica a producida a causa de la acumulación excesiva de cargas eléctricas, configurando una carga electroestática que es generada progresivamente en una nube durante la formación de una tormenta. En una fracción muy pequeña de tiempo (menor a un milisegundo) la energía electroestática acumulada en la nube se transforma en una descarga (corriente eléctrica) portante de tres componentes energéticos: -

componente de energía electromagnética, que produce una luz muy intensa y provoca interferencias electromagnéticas que se denomina ¨ruido¨. componente de energía acústica, que escuchamos y denominamos ¨trueno¨ componente térmica (calor) que podemos observar o detectar bajo la forma de propagación de fuego o incendio.

El fenómeno se produce en forma aleatoria entre nubes, entre nube y tierra o entre tierra y nube, a partir de una diferencia de potencial eléctrica, comprendida entre 10 y 45 kV, establecida entre dos puntos o zonas de influencia de diferente polaridad e igual potencial. - Formación de la descarga La descarga, que llamamos rayo, se inicia a partir de la existencia de un campo eléctrico generado por la diferencia de potencial de origen electrostático generada por la distribución de cargas eléctricas. Ello lleva a producir una intensidad de campo eléctrico suficientemente elevada como para hacer que un primer electrón escape de la estructura atómica y que impulsado por ese campo eléctrico colisione con otros átomos, ionizando a los mismos, generándose un efecto acumulador exponencial de una gran cantidad de electrones libres que integrarán la corriente eléctrica del rayo. A este proceso se lo conoce con el nombre de “guía escalonada” y es el iniciador del fenómeno. De las colisiones resulta una emisión de energía que se manifiesta bajo la forma de luz y al mismo tiempo el aire cambia sus características, tornándose en un medio conductor creándose un canal conductor al que se lo denomina “canal ionizado”.

- Intensidad de la descarga La intensidad de la corriente del rayo es variable y dependerá de: - el momento crítico de la ruptura dieléctrica del aire que se encuentra entre los dos puntos por donde se establecerá esa transferencia de carga es decir, la corriente. - de la facilidad de transporte de la energía en ese medio. - de la capacidad de absorción o disipación de la zona de impacto en tierra. Si bien como valor medio para la corriente eléctrica generada en un rayo se adopta un valor comprendido entre 25 y 30 kA, se han medido valores muy superiores, alcanzando 100 k A o mayores. El aire no es un aislante perfecto y su rigidez dieléctrica antes de la ruptura es de 3kV /mm variando ese valor con la altura, la humedad, la presión atmosférica, el grado de polución atmosférica y nivel de radiación electromagnética de origen natural o no. Al alcanzar el punto de contacto en la superficie (pararrayo, árbol, estructura metálica, etc.) la corriente genera una diferencia de potencial eléctrica y su valor resultará directamente proporcional a la resistencia eléctrica que presenten los conductores que transporten la corriente de la descarga del rayo. Esta diferencia de potencial de carácter temporal (desaparece cundo desaparece la corriente de descarga) pude ser evaluada aplicando la ley de Ohm. Por ejemplo, supongamos que el impacto de rayo se genera en el pararrayos y si suponemos que la intensidad de la descarga alcanzó 20 kA y como valor de la resistencia que presenta el conjunto de la puesta a tierra (pararrayo, conductor de bajada y jabalina de puesta a tierra) consideramos el recomendado por las reglamentaciones es decir 5 Ohm, la diferencial de potencial que apareció en el cable de tierra del pararrayos alcanzo un valor de 100.000 V. - Valor de la energía transmitida por un rayo La energía transferida por el rayo, está directamente asociada al tiempo de duración del rayo y si consideramos a ese tiempo del orden de 100 μs (microsegundo) para el caso que se trata esa energía valdría: E (W.s)= U(V).I(A).t(s)=100000 x 20000 x 100x10-6 E (W.s) = 100 x 20 x 100 = 200000 Ws = 200 kW.s E = 200 kW.s valor equivalente a la energía consumida por segundo, por un conjunto de 5000 lámparas incandescentes de 40 W cada una. - Sentido de la descarga El sentido de la descarga del rayo es, generalmente, un 80% de la nube hacia la tierra (rayos negativos), el 10 % son descargas ascendentes de la tierra a nube (rayos positivos) y el resto entre nube y nube o dentro de la misma nube, fenómeno al que se denomina relámpago. Las descargas de los rayos positivos suelen ser de mayor intensidad y de causar efectos más destructivos que los negativos.

- Tipos de descargas - Rayos Descarga entre nube y tierra

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

- Rayos laminares Son resplandores que resultan de la descarga dentro de la nube, entre las cargas positivas y negativas, acumuladas en la misma.

- Zona de impacto No se puede garantizar cual será la zona de impacto del rayo una vez formado. La trayectoria del rayo puede ser caótica y para establecerla siempre predominarán los ambientes cargados eléctricamente. Estudios del campo eléctrico atmosférico en tierra determinan que la distribución de cargas en tierra es variable, lo cual causa que se generen impactos de rayos laterales, con distancias del orden de 10 km entre los puntos de contacto. - Influencia del terreno Una vez formado el rayo, su impacto es independiente de las características del terreno. Estudios sobre la densidad de impactos de rayos en función del tipo de terreno concluyen que el rayo puede incidir en cualquier lugar del suelo independientemente de sus características conductivas (resistividad, temperatura y grado de humedad). - Nivel de riesgo de los rayos (Nivel ceráunico) El nivel de riesgo de rayos se llama nivel ceráunico y se mide por el número de días de tormentas con la actividad de al menos un rayo (tormenta / año / km2). Estos niveles de riesgo sólo son de referencia, pues suelen ser muy variables; algunos niveles se mantienen durante más tiempo que otros por las características del contexto ambiental. Las líneas isoceráunicas son líneas que, en un mapa ceráunico nos indican lugares de igual nivel de riesgo. - Nivel de densidad de rayos No se debe confundir el nivel de riesgo de rayos reflejado en un mapa ceráunico con el nivel de densidad de rayos. El nivel ceráunico no determina si una zona geográfica tiene más o menos actividad de impactos en el suelo. Los mapas de densidades de rayos, se confeccionan a partir de la medición de la cantidad de impactos en una determinada zona geográfica.

3 - EFECTOS DEL RAYO - Efectos eléctricos Durante la descarga del rayo se producen fenómenos de inducción y acoplamientos electromagnéticos en las líneas de transporte de energía eléctrica y en líneas de telecomunicaciones. Los efectos del rayo durante su descarga pueden ser directos o indirectos a causa de: - Cargas electrostáticas durante la formación de la guía escalonada. Al momento de generarse una nube cargada, sobre la tierra se establece la denominada sombra eléctrica. Ello genera un campo eléctrico y produce el denominado efecto de punta en la parte más alta de las instalaciones. Este efecto visualmente se detecta debido a la producción de chispas que rodean a los elementos expuestos a la sombra eléctrica (Fuegos de San Telmo). 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 puesta a tierra del pararrayos circularan corrientes elevadas, pues para que aparezcan esas chispas, como consecuencia de la ionización del aire circundante debió existir sobre la punta del pararrayos, como mínimo un potencial cercano a 1500 V para producirlo. Si se aplica la Ley de Ohm y tomamos como referencia un valor de 1500 V y consideramos una resistencia de la puesta a tierra del orden de 10 Ohm, resultará que deberá haber circulado una corriente de 150 A. - Pulsos electrostáticos. Los pulsos electroestáticos son fenómenos atmosféricos de carácter transitorio de corta duración que aparecen debido a la variación brusca del campo electroestático presente en la zona durante la tormenta. Sus efectos se transforman en pulsos y todo aquello que se encuentre suspendido en el aire bajo la sombra eléctrica, se cargará con una tensión proporcional a la altura a que se encuentra y al valor del campo electroestático presente. Por ejemplo para una línea telefónica aérea suspendida a 10 metros de altura, pueden aparecer tensiones de 100 a 300.000 voltios con respecto a tierra. - Pulsos electromagnéticos. En el instante mismo del impacto del rayo en un pararrayos o en un elemento cualquiera, al establecerse la corriente se genera un arco eléctrico permitiendo que la corriente de descarga así establecida genere un alto campo electromagnético proporcional a la corriente; ese campo es irradiado transmitiendo energía bajo la forma de un pulso electromagnético a la velocidad de la luz. Ese pulso de energía electromagnético está en condiciones de inducir en equipos y conductores tensiones y corrientes, que pueden provocar la destrucción, falla o mal funcionamiento de los mismos, dependiendo ello de la intensidad del campo electromagnético generado y la distancia a que se encuentran del origen del pulso, los equipos alcanzados. - Sobretensiones El impacto de rayos directos sobre los cables aéreos, genera una onda de tensión, de amplitud elevada, que se propaga sobre la red creando una sobretensión de alta energía. Resulta así que, de no tomarse medidas preventivas podrá ocurrir la destrucción de material, el envejecimiento prematuro de los componentes, el mal funcionamiento de los equipos conectados a la red y otros accidentes. - Tensiones de paso durante el impacto de rayo Por su parte, la corriente de la descarga del rayo conducida a tierra mediante un conductor produce una súbita elevación de potencial, la cual es función del valor de esa corriente y del de resistencia eléctrica que presente ese circuito. Por ejemplo, si tomamos un valor medio de la corriente de un rayo al impactar a tierra de 20 kA y un valor de la resistencia de la toma de tierra de 10 Ohm, entonces aplicando la Ley de Ohm resultará que al momento del impacto, en el punto de contacto con tierra el potencial ascenderá a un valor de 200 kV. Los efectos de esta súbita elevación del potencial eléctrico en el punto de impacto se propagarán por la tierra creando una distribución de potencial de tipo hiperbólico.

Definiendo como tensión de paso a la diferencia de potencial sobre la superficie medida entre dos puntos distantes un metro (Up), podemos expresar la formula de la tensión de paso según: Up = ΔUp = Up1 – Up2 = I.ρ / [ 6,28.d.(d+1)] donde:

ρ = Resistividad electrica del terreno (ohm.m) I = Corriente de impacto (A). d = Distancia entre el punto donde se quiere determinar la tensión de paso y el punto de ubicación del electrodo de captación(m)

De esta forma, sobre la superficie se genera una distribución de potencial tal que, respecto del punto de toma de tierra, dará como resultado para un terreno de conductividad del orden de 50 (ohm.m) la existencia de una tensión de paso en función de la distancia respecto del punto de impacto según: Distancia d(m) 1 5 10 15 20 25 30

Terreno con ρ = 50 Ω.m 80000 5300 1450 665 380 245 171

A

Terreno con ρ = 150 Ω.m 240000 15900 4345 1990 1140 735 515

d

B

d ρ1 ΔV

ρ2

ρ 1< ρ 2

v Los equipos que no estén conectados a la misma toma de tierra, tendrán el riesgo de que les aparezcan arcos eléctricos que saltaran entre masas de diferente potencial durante el instante de la descarga del rayo cercano. - Otros efectos En función de la intensidad de descarga del rayo las tomas de tierra no llegan a adsorber la totalidad de la energía descargada en el corto tiempo de duración de la

descarga. Este fenómeno puede generar por un lado, tensiones de paso peligrosas por su magnitud y tiempo de permanencia y por otro que, la elevada corriente que pasa a tierra por medio del electrodo de tierra a la tierra física, en ese momento al crear un intercambio de iones o electrolisis natural entre el material del electrodo y el material de la tierra física, genere una cristalización de la misma. Por otra parte cada descarga de rayo, evapora el agua que contiene la tierra a su alrededor, desmejorando el valor de la resistencia propia de la toma de tierra. Con el tiempo los electrodos que se utilizan como puesta a tierra, llegan 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. Por ello se debe considerar que todos los elementos y puntos de contacto a tierra que integran el sistema tienen diferentes comportamientos eléctrico, ya que la propia resistencia como conductor eléctrico puede variar considerablemente en función de las condiciones que lo rodean (humedad, temperatura, contaminación química, etc.) y por lo tanto establecer un plan de mantenimiento y revisión anual de las tomas de tierra para garantizar una buena absorción de la energía descargada por el rayo. - Valores característicos del rayo Tensión entre nube y un objeto a tierra: Intensidades de la corriente de descarga: Gradiente de la descarga (di/dt): Duración de la descarga: Temperatura: Propagación: Diferencia de potencial electrostática por metro de elevación sobre la superficie de la tierra:

1 kV a 1000 kV. 5 a 300 KA 7 kA/s a 500 kA/s 10 μs a 100 ms. mayor a 20000 °C 340 m/s. 10 kV.

4 - EFECTOS DEL RAYO SOBRE EL SER HUMANO Los impactos directos, es decir cuando el rayo impacta sobre la persona y esta hace de conductor de la corriente del rayo a tierra son generalmente mortales. Pero también, sin impactar directamente sobre las personas, el rayo puede provocar efectos cuando la misma se encuentra cerca de la zona de influencia del rayo que puede estar comprendida entre 100 y 200 metros del punto de impacto. En este caso las afectaciones pueden ser: -

Quemaduras en la piel. Rotura del tímpano. Lesiones en la retina. Caída al suelo por onda expansiva. Caída al suelo por agarrotamiento muscular debido a una tensión de paso ligera. Lesiones pulmonares y lesiones óseas. Estrés post-traumático

-

Muerte por: Paro cardiaco. Paro respiratorio. Lesiones cerebrales.

5 - SISTEMAS DE PROTECCION A mediados del siglo XVIII, Benjamín Franklin (1706-1790) realizó los primeros experimentos que mostraron una relación entre el rayo y los arcos eléctricos observados en laboratorios. Franklin probó la naturaleza eléctrica de los rayos y también concluyó que la parte baja de las células de tormenta están generalmente cargadas eléctricamente. Analizó lo que sucedía en un conductor en forma de punta conectado a tierra, creando así el pararrayos. Tipos de pararrayos - Tipo Franklin Se basa en la teoría del “efecto punta”, es decir, que las cargas se acumulan en las partes puntiagudas de un conductor y los campos eléctricos son más intensos allí. Por lo tanto, las descargas eléctricas se dirigen a la punta del pararrayos, el punto más alto. Existen dos tipos fundamentales. - Tipo de puntas, llegando disponer de hasta cinco puntas.

- Tipo bayoneta.

-Tipo radioactivo Contiene una caja con una pequeña cantidad de un isótopo radioactivo cuyo fin es ionizar el aire circundante. Los iones que se producen favorecen el camino que ha de seguir la guía. Su área de protección es una semiesfera de unos 200 metros de radio que cae hasta el suelo en forma de cilindro. Por razones de seguridad se dejo de utilizar. -Tipo piezoeléctrico Se basa en el fenómeno que presenta el cuarzo, que al ser presionado produce una descarga eléctrica entre dos electrodos (como el Magiclick). En este caso, la fuerza es producida por el viento al actuar sobre el vástago del pararrayos, por lo que funciona mejor cuanto más fuerte sea el viento -Tipo ión – corona Es más eficaz que el radioactivo y no genera una ionización peligrosa a la salud de las personas que viven en la zona. Consiste en dos electrodos entre los cuales se producen descargas eléctricas y una pequeña luminosidad (efectocorona). Necesita energía eléctrica para el ionizador.

6 - SISTEMAS DE PARARRAYOS - Pararrayo simple Se trata de una instalación compuesta por un número pequeño de pararrayos que se encuentran vinculados entre si y conectados a una o dos puestas a tierra. Normalmente se ubican en el punto más alto del lugar a proteger (Tanque de agua, cumbrera de un edificio, etc.)

- Jaula de Faraday Se basa en el fenómeno descubierto por el físico inglés Michael Faraday (1791-1867). Si rodeamos un ambiente con una lámina conductora, el campo eléctrico externo redistribuye los electrones libres en el conductor, dejando una carga positiva neta sobre la superficie externa en algunas regiones y una carga negativa neta en otras. Esta distribución de carga ocasiona un campo eléctrico tal que el campo total en todo punto del interior es cero.

En este caso un conjunto de un gran número de pararrayos, es distribuido sobre una gran superficie y el conjunto se encuentra vinculado a un conductor llamado perimetral, el cual es vinculado a tierra en varios puntos de su recorrido. Se emplea en edificios de gran extensión. Un ejemplo de instalación:

Zona de cobertura o de protección Se denomina así a la zona sobre la superficie que constituye la base de un cono cuyo vértice lo constituye la punta del pararrayos.

La zona de protección está contenida dentro de un cono de altura h y radio igual al

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

En el caso de los pararrayos del tipo activo, la zona de protección está contenida en una semiesfera de un radio comprendido entre 100 y 200 m.

7 - NORMAS DE APLICACIÓN Las normas actuales de pararrayos, no ofrecen una garantía de protección total. El contenido de la norma, en general, define cómo efectuar una instalación de pararrayos y que elementos emplear y tiene como objetivo salvaguardar la vida de las personas y animales junto a sus propiedades y en mayor o menor grado, se acepta que no existe una protección absoluta contra el rayo, sino sólo una protección adecuada. Por ejemplo la norma de aplicación en Gran Bretaña BS 6651 expresa: “Esta guía es de naturaleza general... “. Se pone énfasis en que, a un cuando se suministre protección, el riesgo de daños a las estructuras a proteger, existe. La norma del Comité Electrotécnico Internacional IEC 61024 -1 Parte uno: Principios Generales expresa: “Un sistema de protección contra el rayo, diseñado e instalado conforme a esta norma, no puede garantizar una protección absoluta a estructuras, personas u objetos; sin embargo, el riesgo de daños causado por el rayo a estructuras protegidas será reducido significativamente mediante la aplicación de esta norma”. La norma NFC-17102, de aplicación en Francia, país donde se han efectuado muchas y diversas investigaciones sobre el rayo y sus efectos expresa en su introducción: “Una instalación de protección contra el rayo concebida y realizada conforme a la presente norma, no puede, como todo proceso en el que intervienen elementos naturales, asegurar la protección absoluta en las estructuras, de las personas o de los objetos...”. En nuestro país las normas IRAM al respecto responden al criterio del IEC y las vigentes en este momento son: IRAM 2184 - Protección de estructuras contra descargas eléctricas atmosféricas (Rayos) IRAM 2425 - Riesgos de daños producidos por las descargas eléctricas atmosféricas. IRAM 2426 - Pararrayos con dispositivos de cebado para la protección de estructuras y de edificios. IRAM 2428 – Pararrayos tipo Franklin y sus accesorios.