La gran pregunta
¿Por qué atraer la descarga del
rayo a una zona que queremos proteger?
¿No seria mejor evitar la descarga y concentrarla
en zonas no urbanizadas o industriales?
A estas preguntas trataremos de responder en
este trabajo. Hablaremos de los rayos y descargas eléctricas, los
problemas que causan, actividades sensibles humanas a la actividad eléctrica,
etc., y terminaremos con los sistemas de protección que actualmente
disponemos.
Introducción
Es bien sabido que el clima está cambiando
poco a poco, bien por causas naturales o antropogénicas o ambas
a la vez. La expresión " el tiempo está loco" se acentúa
cada vez más. Entre otros fenómenos y desastres climatológicos
podemos señalar aumento progresivo de las tormentas, así
como su intensa eléctrica (1, Ver referencias).
FIGURA2, mapa Keráunico mundial.
Diariamente en el mundo se producen unas 44.000
tormentas y se generan mas de 8.000.000 de rayos según el
sistema de detección mundial de meteorología.
Casi todas las descargas naturales se inician
en el interior de las nubes y progresan en forma de árbol de diferentes
ramas, unas se compensan con cargas negativas y las otras con cargas
positivas; en su trayectoria transportan corrientes eléctricas
que pueden llegar como término medio a 30.000 Amperios a valores
máximos superiores a los 300.000 Amperios durante millonésimas
de segundo con potenciales que se han llegado a estimar en valores que
sobrepasaban los 15 millones de voltios desprendiendo una energía
térmica superior a los 8.000 grados, como referencia atípica
en España el 7 de agosto de 1992 en un solo día cayeron
32.000 rayos según el Servicio de teledetección de rayos
del Instituto Nacional de meteorología
Los rayos han causado en España, desde
1941 hasta 1979, alrededor de 2.000 muertos (1,6 muertos por año
y millón de habitantes). El Instituto Nacional de Meteorología
dispone desde 1992 de una moderna red que permite detectar los rayos que
caen en todo el territorio nacional. (www.inm.es) .
No hay duda del gran peligro asociado al fenómeno
rayo junto con sus efectos destructivos por el impacto directo o indirecto;
por ese motivo estamos sensibilizando a la población a revisar las
necesidades de protección del impacto directo del rayo y la efectividad
de los sistemas actuales de pararrayos.
En este artículo nos referiremos a los
rayos, que son las descargas eléctricas generadas entre la nube
y la tierra.
Foto: Archivo IDEAL /Reuters
La prevención. Es una responsabilidad de
todos, la necesidad de una protección eficaz del rayo es evidente
en muchas actividades humanas. Quien se tiene que proteger somos nosotros,
no tenemos que excitar ni atraer la descarga brutal del rayo. Tenemos que
transferir la carga eléctrica atmosférica pacíficamente,
antes de que el rayo se forme y evitar, así, su caída
o impacto directo.
Nuestra obligación, como empresa, es informarle
de algunos temas relevantes del fenómeno rayo y sistemas de protección
(Pararrayos). Es conveniente analizar la problemática actual
y las necesidades reales de protección del rayo que necesitamos
cada uno de nosotros según la tipología de cada instalación.
También, queremos dar a conocer los diferentes principios de funcionamiento
de algunos pararrayos.
El rayo: sus efectos, repercusiones
eléctricas y algunos sistemas de protección directa ( pararrayos)
rayo es la reacción eléctrica causada
por la saturación de cargas electroestáticas que han
sido generadas y acumuladas progresivamente durante la activación
del fenómeno eléctrico de una tormenta. Durante unas fracciones
de segundos, la energía electroestática acumulada se convierte
durante la descarga en energía electromagnética (el relámpago
visible y la interferencia de ruido), energía acústica (
trueno) y, finalmente calor. El fenómeno rayo se representa aleatoriamente
a partir de un potencial eléctrico atmosférico ( 10/45 kV),
entre dos puntos de atracción de diferente polaridad e igual potencial
para compensar las cargas.
La densidad de carga del rayo es proporcional
a la saturación de carga electroestática de la zona. A mayor
densidad de carga, mayor es el riesgo de generar un líder y a continuación
una descarga de rayo.
El líder o guía escalonada (Step
Leader) es el trazador que guiara la descarga del rayo a la zona donde
se genere. El rayo tiende a seguir un camino preparado, es la concentración
de transferencia de electrones (10.000 Culombios por segundos) en un punto
concreto para compensar las cargas electroestáticas de signos opuestos.
Durante su generación y en función de la transferencia de
carga, el fenómeno se puede representar (Efecto Corona ) en forma
de chispas eléctricas generalmente de color verde-azul y con fuerte
olor a ozono ( ionización del aire). No es constante ni estable
y puede viajar y moverse en función de los puntos calientes
de ionización (fuego de Sant Elmo). Cuando se visualiza este fenómeno,
el campo eléctrico-Atmosférico de alta tensión es
tan grande que los pelos de la piel se ponen de punta hacia arriba y la
descarga de rayo se puede representar.
La intensidad de la descarga del rayo es
variable y dependerá del momento crítico de la ruptura de
la resistencia del aire entre los dos puntos de transferencia. También
estará influenciada por la resistencia de los materiales expuestos
en serie, como por ejemplo: tierra, roca, madera, hierro, instalaciones
de pararrayos, las puestas a tierra, etc.
El aire no es un aislante perfecto su resistencia
dieléctrica antes de la ruptura es de 3kV /mm y varia proporcionalmente
con la altura.
La ruptura del dieléctrica del aire también
variará según el grado de contaminación atmosférica,
temperatura, humedad, presión y radiación electromagnética
natural o no.
El rayo puede transportar una carga de electrones
en menos de un segundo equivalente a 100 millones de bombillas ordinarias,
la media que se valora por rayo es de 20GW de potencia.
FIGURA 3. Modelos
Conceptuales: Rayos (MCM2)
Autores : Olinda Carretro Porris, Francisco Martín
León.
El sentido de la descarga del rayo es, generalmente,
un 80% de nube a tierra (rayos negativos), el 10 % son descargas
ascendentes de tierra a nube (rayos positivos). Las descargas de los rayos
positivos suelen ser de más intensidad que los negativos (2, Ver
referencias).
La trayectoria del rayo puede ser caótica,
siempre predominarán los ambientes eléctricos cargados, aunque
los estudios del campo eléctrico atmosférico en tierra determinan
que la distribución de cargas en tierra no es estática, sino
que es dinámica al formarse y generar aleatóriamente chispas
en diferentes puntos geográficos al mismo tiempo, la intensidad
y situación del campo cambia radicalmente. No se puede garantizar
la zona de impacto del rayo una vez formado sin una protección
adecuada.
Foto: ARchivo IDEAL / Reuters
El nivel de riesgo de rayos se llama nivel
keráunico, se valora por el número de días de la actividad
de rayos por año y km2, estos niveles solo son de referencia
pues suelen ser muy variables, algunos se mantienen durante más
tiempo por las características del contexto ambiental y telúrico,
la media tiene que ser valorada como mínimo cada 5 años,
en griego "Keraunos" significa rayo. Se puede efectuar un seguimiento de
los impactos de rayos en diferentes mapas virtuales. Existen varios portales
donde podemos ver la actividad de rayos casi en tiempo real a nivel nacional
y europeo, por ejemplo en:
España: Instituto Nacional de Meteorología
http://www.inm.es/web/infmet/rayos/rayos.html
Francia: Météorage, del grupo Météo
France
http://www.meteorage.fr
Catalunya: Meteocat www.meteocat.net/marcs/marcos_observacio/marcs_llamps.htm
FIGURA 5 Mapa Keráunico Principado
de Andorra
Las líneas Isoceráunicas son
indicadores de medición de un área concreta que determina
diferentes zonas de riesgo.
Las temporadas de tormentas son cada vez más
grandes y activas , el gráfico representa la evolución de
los días de tormenta e impactos de rayos en un periodo de 6 años
en la zona geográfica de las Pardines ( 1.503 metros sobre
el nivel de mar ) en el Principado de Andorra. (3, Ver referencias).
FIGURA 6 Impactos de rayos en una
zona de 2 km2 del Principado de Andorra
Las tormentas generan peligrosas cargas
eléctricas por kilómetro cuadrado dentro de los núcleos
de nubes tormentosas, sobre todo en alta montaña con climas predominantemente
secos ( =< 32 % HR ). La diferencia de potencial entre la base de la
nube y tierra aumenta progresivamente ionizando el aire en el gran
espacio tiempo, los valores de referencia son del orden de cien millones
de voltios y el valor del campo electroestático en tierra es de
10 kV por cada metro de elevación sobre la superficie de la tierra.
La compensación de la carga electroestática se transfiere
de dos maneras. Una es pacíficamente por el flujo de electrones
en una gran área geográfica ( Km2) y en un largo periodo
de tiempo (minutos) sin visualizar la descarga del rayo a tierra. La otra
es debido a la gran concentración de transferencia de electrones
en un corto espacio tiempo, metros2 / segundos.
En las zonas de alto nivel keráunico la
transferencia de esta energía se representa en forma de rayo
con impactos a tierra para compensar al campo eléctrico de alta
tensión que se ha generado.
Sus efectos.
El cuerpo humano es una máquina bioeléctrica,
polarizada eléctricamente y toda la actividad electromagnética
del entorno nos afecta. Cada impacto de rayo genera una radiación
o pulso electromagnético peligroso para las personas.
Los campos electromagnéticos artificiales
perturban el magnetismo natural terrestre y el cuerpo humano sufre cambios
de sus ritmos biológicos normales pudiendo sucumbir a diferentes
enfermedades.
Estos fenómenos están en estudio,
pues pueden afectar la membrana celular a partir de una gran exposición
en corto tiempo; en función de la radiación absorbida nuestro
sistema nervioso y cardiovascular pueden estar afectados.
Hoy en día está comprobado que las
corrientes eléctricas de baja frecuencia con densidades superiores
a 10 mA/m2 afectan al ser humano, no solo al sistema nervioso sino también
pueden producir extrasístoles.
Toda radiación superior a 0.4W/kg
no podrá ser adsorbida correctamente por el cuerpo. El aumento repentino
de 1 grado en el cuerpo puede producir efectos biológicos adversos,
éste fenómeno puede ser representado por radiaciones de gigaherzios
o microondas. (4. ver referencias).
La información siguiente es un extracto
del de la Tesis doctoral en Medicina del Doctor Cauman Laurent, " Los accidentes
por fulminación ", en francés " Les accidents de la fulguration".
( 5. ver referencias ).
Los impactos de rayo directos son destructores
y mortales
FIGURA 7 Muerte por impacto directo.
Cuando el rayo impacta en un punto, genera varios
efectos debido a la desproporcionada y devastadora energía transferida.
Los fenómenos repercutidos serán de diferente gravedad
en función de la intensidad de la descarga.
Fenómenos repercutidos:
1. Ópticos.
2. Acústicos.
3. Electroquímicos.
4. Térmicos.
5. Electrodinámicos.
6. Electromagnéticos.
Los impactos de rayos indirectos son muy
peligrosos, generan fuertes tensiones de paso.
La distancia y potencial de la descarga generará
diferentes efectos que afectará directamente al cuerpo humano.
FIGURA 8 tensión de paso por impacto
indirecto.
Resumimos los diferentes efectos físicos
que pueden ocasionar a las personas, si nos encontramos dentro de un radio
de acción inferior a 120 metros del impacto-
Efectos físicos:
1. Quemaduras en la piel.
2. Rotura del tímpano.
3. Lesiones en la retina.
4. Caída al suelo por onda expansiva.
5. Caída al suelo por agarrotamiento muscular
debido a una tensión de paso ligera.
6. Lesiones pulmonares y lesiones óseas.
7. Estrés pos-traumático.
8. Muerte por:
a. Paro cardiaco.
b. Paro respiratorio.
c. Lesiones cerebrales.
Extracto de la Tesis doctoral en Medicina del
Doctor Cauman Laurent..
Repercusiones eléctricas :
El potencial y la cantidad de descargas de
los rayos son aleatorios en todo el planeta, pero cada vez, se aprecia
una tendencia al incremento debido a los diferentes cambios climáticos.
Las erupciones solares son alguna de las causantes del aumento de la saturación
de la carga en la atmósfera ( 6. ver referencia)
Durante las tormentas solares nuestro planeta
está golpeado implacablemente por radiaciones ultravioletas, rayos
X y torrentes de partículas cargadas, lo cual distorsiona el campo
magnético e induce poderosas corrientes eléctricas a la atmósfera,
se espera una máxima actividad solar para el año 2012. (
7.ver referencia ).
Durante la descarga del rayo se generan
inducciones y acoplamientos en líneas de transporte eléctrico
y de comunicaciones, todos los equipos electrónicos sensibles que
se encuentre dentro de un radio de acción de 120 metros pueden
estar afectados por una sobre tensión inducida. En función
de la intensidad de descarga del rayo las tomas de tierra no llegan a adsorber
la totalidad de la energía potencial descargada en menos de 1 segundo,
generando retornos eléctricos por la toma de tierra al interior
de la instalación eléctrica. Este fenómeno puede generar
tensiones de paso peligrosas si las instalaciones no están preparadas
al efecto.
FIGURA 9 tensión de paso por impacto
indirecto.
Se tiene que tener en consideración que
todos los materiales o puntos de contacto a tierra tiene diferente valores
de comportamiento eléctrico, su propia resistencia eléctrica
puede variar considerablemente en función de las condiciones medioambientales
y su composición mineral ( valores =< a 5 ?, a valores
=> 3000 ? ). Los valores mínimos registrados en el momento de una
descarga es de decenas de kA a valores máximos registrados
de 300 kA en un solo impacto.
El impacto de rayos genera sobre los cables aéreos
una onda de corriente, de amplitud fuerte, que se propaga sobre la red
creando una sobre tensión de alta energía.
Por ejemplo, si aplicamos la Ley de Ohm, y tomando
un valor medio del impacto de un rayo a tierra de 30 kA ( 30.000
Amperios) y un valor de la resistencia de la toma de tierra de 10
? ( ohmios), entonces se tiene unos resultados de energía que circulará
por el cable de tierra a la toma de tierra física de
300.000 Voltios ( Alta Tensión ) y 9.000.000 kW ( Alta Energía
de radiación.
Las consecuencias: Destrucción de material,
envejecimiento prematuro de los componentes electrónicos sensibles,
disfunción de los equipos conectados a la res con peligro de incendio.
Ponemos a continuación algunos valores
de referencia del fenómeno rayo:
1. Tensión entre nube y un objeto a tierra......................1.
a 1.000. kV.
2. Intensidades de descarga ..............................................5
a 300 KA
3. di/dt..................................................7.5kA/s
a 500kA/s
4. Frecuencia..............................................................1
K Hz a 1 M Hz.
5. Tiempo................................10 Microsegundos
a 100. Milisegundos.
6. Temperatura superior a.........................27.000
grados Centígrados.
7. Propagación ..............................................340
metros por segundo.
8. Campo electroestático por metro de
elevación sobre la superficie
de la tierra...............................................................................10
kV.
Los rayos causan muchas muerte en el mundo, solo
en Brasil mueren cien personas por año . es uno de los país
más afectados por la muerte directa de personas causada por
los rayos, según investigadores brasileños equivale al 10
por ciento del total mundial. ( 8, ver referencias )
Algunas estadísticas de daños
en Francia causados por el rayo.
Hemos tomados los datos del portal de Météorage
que a continuación citamos:
http://www.meteorage.fr/meteorage.fr/foudre_phenomene_physique6.html
1. Una media de 1.000.000 de impactos de rayo
por año .
2. El coste anual de los daños causados
por el rayo se cifra en millones de €uros.
3. Mueren cada vez más personas, entre
8 y 15 muertos por año.
4. Más de 20.000 animales muertos.
5. 20.000 siniestros causados por rayos de los
cuales 15.000 ocasionaron incendios.
6. 50.000 contadores eléctricos destruidos.
7. 250 campanarios afectados.
Diferentes sistemas de protección
del rayo
Introducción
En 1747 B. Franklin inició sus experimentos
sobre la electricidad. Adelantó una posible teoría de la
botella de Leyden, defendió la hipótesis de que las tormentas
son un fenómeno eléctrico y propuso un método efectivo
para demostrarlo. Su teoría se publicó en Londres y se ensayó
en Inglaterra y Francia antes incluso de que él mismo ejecutara
su famoso experimento con una cometa en 1752. Inventó el pararrayos
y presentó la llamada teoría del fluido único para
explicar los dos tipos de electricidad atmosférica, la positiva
y negativa. Desde entonces el Pararrayos a evolucionado con diferentes
tecnologías, unos, manteniendo el principio de ionización
por efecto punta a partir de un campo eléctrico natural.
Todos los pararrayos que acaban en una o varias
puntas tienen como principio la excitación y captación del
rayo. En mayor o menor grado generan efectos segundarios de contaminación
electroestática y electromagnética que afectan con la posible
destrucción a las instalaciones eléctricas y equipos, por
ese motivo los fabricantes de pararrayos recomiendan protecciones
suplementarias en las instalaciones internas para minimizar los efectos
de la subida de tensión temporal (sobre tensión) en
los equipos eléctricos, de telecomunicaciones, audiovisual y cualquier
otro que contengan electrónica sensibles, durante la descarga del
rayo en el pararrayos.
Durante la evolución industrial, no existían
tecnologías electrónicas tan sensibles como las actuales,
si miramos a nuestro alrededor, pocos son los equipos eléctricos
o electromecánicos que no llevan incorporado un sistema electrónico
de control para facilitarnos los procesos que utilizamos en nuestra vida
cotidiana, todos ellos incorporan componentes electrónicos cada
vez mas reducidos y sensibles a las variaciones de tensión
y frecuencia. Es evidente que les afecta la contaminación
eléctrico ambiental y dependen de la continuidad y calidad en el
suministro eléctrico o en la comunicación de la información,
por ese motivo se tiene que evitar en lo posible las fuentes que generan
perturbaciones electromagnéticas, como por ejemplo los impactos
de rayos cercanos o las instalaciones de pararrayos Franklin tipo
punta o PDC ( pararrayos con Dispositivo de Cebado ) que excitan y atraen
la descarga del rayo dentro de los núcleos industriales
o urbanos. Otros utilizan el campo eléctrico atmosférico
durante la tormenta para transferir la carga del sistema pacíficamente
sin producir descarga ( CTS, Charge Transfer System ).
Algunas de las normativas de pararrayos
Las normas actuales relacionadas con las instalaciones
reglamentarias de pararrayos, pretenden como objetivo de la protección
del rayo, salvaguardar la vida de las personas y animales junto a sus propiedades
y remarcan que en mayor o menor grado, aceptan que no existe una protección
absoluta contra el fenómeno de las tormentas eléctricas,
sino sólo una protección adecuada. ( 9. ver referencia )
Las normativas dejan abierta la posibilidad de
aplicar otros sistemas de protección, donde la necesidad de soluciones
para la protección del rayo sea particularmente más exigente.
Ensayos de pararrayos en laboratorio.
Los ensayos experimentales en un laboratorio
técnico de alta tensión, solo se tendrían que
utilizar a nivel técnico comparativo como referencia para que el
fabricante pudiera comprobar la efectividad técnica del cabezal
aéreo (capta-rayos o pararrayos) que se lleva a ensayo.
No se podrá representar jamás en
un laboratorio técnico, todos los parámetros variables de
los fenómenos naturales que están implicados estrechamente
en la transferencia, excitación y descarga del rayo.
FIGURA 11 Laboratorio de ensayos eléctricos.
Los parámetros y procedimientos que se
utilizan actualmente en un laboratorio técnico de alta tensión,
son fijos dentro de un protocolo y características técnicas.
La configuración del ensayo no tienen que ver en absoluto con las
tan diferentes configuraciones de las instalaciones de pararrayos. En el
campo de aplicación de una instalación de pararrayos, intervienen
muchos fenómenos medioambientales y diferentes contextos geográficos,
formas arquitectónicas, materiales que pueden interferir positiva
o negativamente en la transferencia, excitación y descarga de la
energía del rayo.
El ensayo experimental de un pararrayos en un
laboratorio técnico de alta tensión no contempla el resto
de los componentes de una instalación de un pararrayos, es
decir, el mástil, los soportes, el conductor eléctrico, la
toma de tierra, etc.
Las pruebas de eficacia de un sistema de protección
del rayo, tienen que ser efectuadas en el campo de aplicación y
comprobar que cumplan con el objetivo para lo cual todo el conjunto de
la instalación de un pararrayos ha estado diseñada,
efectuando un seguimiento en tiempo real del fenómeno rayo y unas
revisiones periódicas de mantenimiento.
Resumimos algunos de los principios de funcionamiento
de algunos Atrae-rayos y Parar-rayos
Si deseamos captar el rayo ( Atrae-rayo ) pondremos
atención en algunos tipos de pararrayos tipo Franklin o PDC ( Pararrayos
con dispositivo de Cebado ) que basan su principio de funcionamiento en
la ionización pasiva o activa del aire para excitar la carga,
y crear un camino abierto para capturar la descarga del rayo y canalizar
su energía potencial por un cable a la toma de tierra eléctrica.
A. Los pararrayos ionizantes.
Pararrayos que ionizan el aire y capta la descarga
del rayo ( Atrae-rayos):
· Se destacan por ser electrodos acabados
en una o varias puntas.
· Están instalados en la parte
más alta de la instalación y conectados a tierra. Se dividen
en:
§ Ionizantes pasivos (A-1, ver más
adelante)
§ Semi-Activos (A-2, ver más adelante).
· Durante la descarga del rayo se generan
corrientes de Alta Tensión por el conductor eléctrico de
tierra superiores , siendo peligroso estas cerca del pararrayos en ese
momento.
FIGURA 12 Atrae-Rayos.
Si de lo contrario deseamos parar el rayo ( Parar-rayos
) en un perímetro de seguridad del cual queremos proteger las instalaciones,
nos decidiremos por la nueva tecnologías de pararrayos CTS ( Charge
Transfer System ), en español Sistema de Transferencia de Carga.
Basan su principio en la desionización, el objetivo es evitar la
saturación de carga electroestática en la atmósfera,
concretamente compensar pacíficamente la diferencia de potencial
de la zona durante el proceso de la formación de la tormenta. Con
este principio se evita el campo de alta tensión que genera la
formación de efluvios y la excitación de la presencia del
rayo. El resultado es una zona eléctricamente estable sin influencias
de caídas de rayos.
B. Los pararrayos desionizantes pasivos
.
Pararrayos que desionizan el aire y para la formación
del rayo ( parar-rayos):
· Se destacan por ser de forma esférica.
· Están instalados en la parte
más alta de la instalación y conectados a tierra.
· Durante el proceso de la carga electroestática
del fenómeno del rayo, la transferencia de su energía
a tierra, se transforma en una corriente de fuga a tierra, su valor eléctrico
se puede registrar con una pinza amperimetrica de fuga a tierra, el valor
máximo de lectura en plena tormenta no supera los 250
Mili-Amperios y es proporcional a la carga eléctrico-Atmosférica.
FIGURA 13, pararrayos CTS.
Nota: .Todos los sistemas de pararrayos para
la protección del rayo, se instalan según unas normativas
particulares y se resumen en 3 elementos básicos:
1. La toma de tierra con una resistencia inferior
a 10 ?
2. El mástil y cable conductor que conecta
la tierra con el cabezal aéreo.
3. El pararrayos (Cabezal aéreo).
A-1. Pararrayos ionizantes pasivos (PSF) Puntas
simple Franklin ( Atrae-rayos simple ):
Analicemos algunos principios básicos.
1. Características básicas. Son
electrodos de acero o de materiales similares acabados en una o varias
puntas, denominados Punta simple Franklin, no tienen ningún dispositivo
electrónico ni fuente radioactiva. Su medida varía
en función del modelo de cada fabricante, algunos fabricantes colocan
un sistema metálico cerca de la punta para generar un efecto de
condensador.
2. Su principio de funcionamiento. Se basa esencialmente
en canalizar por la toma de tierra la diferencia de potencial entre la
nube y el cabezal del pararrayos, la instalación conduce primero
hacia arriba, por el cable desnudo de tierra, la tensión eléctrica
generada por la tormenta, para compensar la diferencia de potencial en
el punto más alto de la instalación. Durante el proceso de
la tormenta se generan campos eléctricos de alta tensión
que se concentran en las puntas mas predominantes, a partir de una
magnitud del campo eléctrico alrededor de la punta o electrodo,
aparece la ionización natural o efecto corona, son mini descargas
disruptivas que ionizan el aire , este fenómeno es el principio
de excitación para trazar un camino conductor que facilitara la
descarga del fenómeno rayo( Lider ).
En función de la transferencia o intercambio
de cargas, se puede apreciar en la PSF, chispas diminutas en
forma de luz, ruido audible a frito, radiofrecuencia, vibraciones del conductor,
ozono y otros compuestos. Este fenómeno arranca una serie
de avalancha electrónica por el efecto campo, un electrón
ioniza un átomo produciendo un segundo electrón, éste
a su vez junto con el electrón original puede ionizar otros átomos
produciendo así una avalancha que aumenta exponencialmente. Las
colisiones no resultantes en un nuevo electrón provocan una excitación
que deriva en el fenómeno luminoso. A partir de ese momento, el
aire cambia de características gaseosas al límite de su ruptura
dieléctrica, el rayo es el resultado de la saturación de
cargas entre nube y tierra, se encarga de transferir en un instante,
parte de la energía acumulada; el proceso puede repetirse varias
veces.
3. El objetivo de estos atrae-rayos es proteger
las instalaciones del impacto directo del rayo, excitando su carga y capturando
su impacto para conducir su potencial de alta tensión a la toma
de tierra eléctrica. (Las instalaciones de pararrayos están
reguladas por normativas de baja tensión).
Se han dado casos que la punta del PSF, el efecto
térmico a fundido varios centímetros de acero de la
punta Franklin.
A-2. Pararrayos ionizantes Semi-activos ( PDC)
pararrayos con dispositivo de cebado (atraer-rayos):
1. Características básicas. Están
formados por electrodos de acero o de materiales similares acabados en
una punta, incorporan un sistema electrónico que genera un avance
en el cebado del trazador ( Lider ); No incorporan ninguna fuente radioactiva,
tienen un dispositivo electrónico sensible compuesta de diodos,
bobinas, resistencias y condensadores, inundados en una resina aislante,
todo ello blindado; otros incorporan un sistema piezoeléctrico.
Los dos sistemas se caracterizan por anticiparse en el tiempo en
la captura del rayo una vez que se produce la carga del dispositivo de
excitación. Las medidas de los cabezales varían en función
del modelo de cada fabricante.
2. Principio de funcionamiento. Se basa esencialmente
en canalizar por la toma de tierra la diferencia de potencial entre la
nube y el cabezal del pararrayos. La instalación conduce primero
hacia arriba por el cable desnudo de tierra, la tensión eléctrica
generada por la tormenta, al punto más alto de la instalación
para compensar la diferencia de potencial. El sistema electrónico
aprovecha la influencia eléctrica del aumento de potencial
entre la nube y la tierra, para auto alimentar el circuito electrónico
y excitar la avalancha de electrones, la excitación del rayo se
efectúa ionizando el aire por impulsos repetitivos, según
aumente gradualmente la diferencia de potencial aportada por la saturación
de cargas eléctrico-atmosféricas aparece la ionización
natural o efecto corona, son mini descargas periódicas que
ionizan el aire, este fenómeno es el principio de excitación
para trazar un camino conductor intermitente que facilitara la descarga
del fenómeno rayo( Lider ).
Durante el proceso de la tormenta se generan campos
de alta tensión que se concentran en las puntas mas predominantes,
a partir de una magnitud del campo eléctrico alrededor de la punta
o electrodo, aparece la ionización por impulsos, son pequeños
flujos eléctricos, se puede apreciar en forma de diminutas chispas
de luz, ruido audible a frito, radiofrecuencia, vibraciones del conductor,
ozono y otros compuestos. Este fenómeno arranca una serie
de avalancha electrónica por el efecto campo, un electrón
ioniza un átomo produciendo un segundo electrón, éste
a su vez junto con el electrón original puede ionizar otros átomos
produciendo así una avalancha que aumenta exponencialmente. Las
colisiones no resultantes en un nuevo electrón provocan una excitación
que deriva en el fenómeno luminoso. A partir de ese momento el aire
cambia de características gaseosas al límite de su ruptura
dieléctrica, el rayo es el resultado de la saturación de
cargas entre nube y tierra, se encarga de transferir en un instante,
parte de la energía acumulada en el condensador atmosférico(
nube-tierra ); el proceso puede repetirse varias veces.
El dispositivo electrónico del PDC está
conectado en serie entre el soporte del cabezal y el cabezal aéreo
3. El objetivo de estos atrae-rayos es proteger
las instalaciones del impacto directo del rayo, excitando su carga y capturando
su impacto para conducir su potencial de alta tensión a la toma
de tierra eléctrica.
Estos equipos se caracterizan por incorporar un
sistema de cebado que anticipan la descarga de 25 a 68 ?s, micro-segundos.
(Las instalaciones de pararrayos PDC están reguladas por normativas
de baja tensión).
El dispositivo de cebado de los pararrayos
PDC.
El sistema de cebado necesita un tiempo de carga
para activar el dispositivo electrónico que generara un impulso,
a continuación volverá a efectuar el mismo proceso mientras
exista el aporte de energía natural, este tiempo de carga del dispositivo
electrónico no se contabiliza en los ensayos de laboratorio de alta
tensión de un PDC.
En el campo de aplicación, el dispositivo
electrónico instalado en la punta del PDC, necesita un tiempo
de trabajo para la cargar del sistema de cebado; Durante ese proceso, el
efecto de ionizacion se retrasa en la punta del PDC referente a los sistemas
convencionales de pararrayos Franklin.
El dispositivo de cebado está construido
con componentes electrónicos sensibles a los campos electromagnéticos,
está instalado en el cabezal aéreo ( PDC) dentro de la influencia
de los efectos térmicos, electrodinámicos y electromagnéticos
del rayo. En fusión de la intensidad de descarga del rayo la destrucción
del dispositivo electrónico es radical, a partir de ese momento
la eficacia del PDC no esta garantizada y la instalación de protección
queda fuera de servicio.
Algunos fabricantes aconsejan la revisión
del circuito electrónico del pararrayos cada vez que recibe un impacto.
Pararrayos desionizantes pasivos, tecnología
CTS, Charge Transfer System , (parar-rayos).
1. Características básicas. Los
Pararrayos Desionizadores de Carga Electroestática (PDCE), incorporan
un sistema de transferencia de carga ( CTS ), no incorporan ninguna fuente
radioactiva. Se caracteriza por transferir la carga electroestática
antes de la formación del rayo anulando el fenómeno
de ionización o efecto corona. El cabezal del pararrayos está
constituido por dos electrodos de aluminio separados por un aislante dieléctrico
todo ello soportado por un pequeño mástil de acero inoxidable.
Su forma es esférica y el sistema está conectado en serie
con la propia toma de tierra para transferir la carga electroestática
a tierra evitando la excitación e impacto directo del rayo.
2. Su principio de funcionamiento. Se basa esencialmente
en canalizar por la toma de tierra la diferencia de potencial entre la
nube y el cabezal del pararrayos, la instalación conduce primero
hacia arriba, por el cable desnudo de tierra; la tensión eléctrica
generada por la tormenta eléctrica al punto más alto de la
instalación, durante el proceso de la tormenta se genera campos
de alta tensión que se concentran en el electrodo inferior (cátodo
-) , a partir de una magnitud del campo eléctrico, el electrodo
superior (ánodo +) atrae cargas opuestas para compensar la diferencia
de potencial interna del cabezal , durante el proceso de transferencia,
en el interior del pararrayos se produce un flujo de corriente entre
el ánodo y el cátodo, este proceso natural anula el efecto
corona en el exterior del pararrayos, no produciendo descargas disruptivas,
ni ruido audible a frito, ni radiofrecuencia, ni vibraciones del conductor.
Durante el proceso, se produce una fuga de corriente a tierra por
el cable conductor eléctrico, los valores máximos que se
pueden registrar durante el proceso de máxima actividad de la tormenta
, no superan los 300 miliamperios. A partir de ese momento el campo eléctrico
ambiental no supera la tensión de ruptura al no tener la carga suficiente
para romper su resistencia eléctrica.
3. El objetivo es evitar el impacto directo en
la zona de protección para proteger a las personas , animales
e instalaciones, el conjunto de la instalación se diseña
para canalizar la energía del proceso anterior a la formación
del rayo desde el cabezal aéreo hasta la toma de tierra. ( las instalaciones
de la puesta a tierra y cables del pararrayos están reguladas según
las normativas de baja tensión)
4. Las instalaciones de pararrayos con tecnología
CTS cubre unas necesidades más exigentes de protección, donde
los sistemas convencionales de captación del rayo acabados en punta
no son suficientes.
Conclusiones
Las nuevas tecnologías de protección
del rayo se convierten en una necesidad evidente para la protección
de las personas, animales e instalaciones: comunicación, audiovisual,
maquinaria etc.
Los sectores más afectados por el fenómeno
rayo, tienen a su alcance las soluciones definitivas. Las nuevas
tecnologías para el diseño de Sistema de protección
mas eficaz del rayo, cumple con el objetivo para los que han sido
diseñadas: proteger del impacto del rayo evitando su caída
en la zona de protección.
De lo analizado hasta ahora podemos concluir
que:
1. Se prevé que el cambio climático
genere temporadas de tormentas cada vez más largas con grandes potenciales
energéticos que repercuten en una tendencia hacia una mayor actividad
eléctrico-Atmosferica, en general, y de rayos, en particular.
2. Los impactos de rayos son aleatorios y su
trayectoria es caótica con un potencial de descarga muy destructivo.
3. Las nuevas tecnologías electrónicas
de comunicaciones, simplifican la gestión o información
para el usuario pero aumentan la necesidad propia de una protección
más eficaz.
4. Evitar la caída del rayo es una necesidad
evidente. Cada vez hay una mayor cantidad de actividades humanas
donde el impacto o presencia de rayos es notoria y sensible.
5. Los pararrayos tipo Franklin excitan y atraen
las descargas de rayos (Atrae-rayos), generando fenómenos de repercusión
eléctrica, a veces, peligrosos para los componentes electrónicos
sensibles.
6. Los pararrayos PDC excitan y atraen las descargas
(Atrae-rayos), se caracterizan primordialmente por su sistema electrónico
de cebado incorporado en el cabezal del pararrayos, este sistema consigue
en un laboratorio de alta tensión adelantarse a la captación
de la descarga en un tiempo más corto ( microsegundos), referente
a la descarga de un pararrayos en punta tipo Franklin, pero en el campo
de aplicación tienen un retraso de microsegundos para efectuar el
trabajo de carga del dispositivo electrónico.
Algunos fabricantes de pararrayos PDC, aconsejan
la revisión del cabezal cada vez que un rayo impacta en ellos,
para verificar la eficacia de su sistema electrónico de cebado
que lleva incorporado y cambiarlo si fuera necesario. El motivo es la posible
destrucción del sistema electrónico de cebado producido por
los efectos: térmicos, electrodinámicos y electromagnéticos
del rayo durante el impacto.
7. Los certificados de laboratorios de alta tensión
que avalan la eficacia del sistema PDC tendrían que ser solo
utilizados, como documentos de referencia técnica del fabricante,
no como aplicación en las instalaciones ya que la norma
no garantiza una protección absoluta con estos sistemas de pararrayos
y los ensayos no contemplan toda la instalación de protección.
8. Todos los sistemas de protección acabados
en una o varias puntas que tienen como principio excitar y atraer
el rayo, sean pasivos o activos, ionizan el aire generando chispas peligrosas
y descargas de alta tensión, las instalaciones de protección
externa del rayo están reguladas por normativas de baja tensión;
Estos sistemas tendrían que ser utilizados fuera de las zonas
de riesgo de explosiones, zonas urbanas o industriales. Su campo de aplicación
seria ideal para garantizar zonas de captación de rayos, como por
ejemplo los bosques, así se evitarían un gran numero de incendios
.
9. En las zonas urbanas e industriales tienen
que ser protegidas con sistemas de pararrayos desionizadores de carga
electroestática ( para-rayos ), donde la transferencia de carga
electroestática será compensada pacíficamente en el
tiempo real y no se representará la descarga visual del rayo ni
sus fenómenos repercutidos de acoplamientos o inducciones.
10. La eficacia de un sistema, se demuestra cumpliendo
en el espacio tiempo el objetivo para lo cual ha sido diseñado,
la aplicación en el campo de trabajo avalará
su funcionamiento.
La gran pregunta que nos seguimos haciendo:
¿Por qué seguir instalando atrae-rayos
ionizantes que atraen la descarga del rayo a una zona que queremos proteger?.
¿No seria mejor instalar los para-rayos
desionizantes para eliminar la en nuestra zona de protección?
Información, noticias y actualizaciones
de cómo efectuar una instalación de pararrayos que evita
la caída del rayo y las repercusiones de su fenómeno, referencias
de instalaciones efectuadas. www.rayos.info
Referencias bibliográficas
(1) Cambio climático.
http://www.grida.no/climate/ipcc_tar/vol4/spanish/010.htm
(2) El sentido de la descarga del rayo
http://www.cofis.es/pdf/fys/fys12_04.pdf.
(3) Estudio keraunico en una zona del Principado
de Andorra.
http://www.rayos.info/estudio_rayo.htm
Gráficos de máxima y mínima
temperatura , lluvia y nieve en el Principado de Andorra. www.rayos.info
(4) Exposición a campos electromagnéticos:
características y restricciones para evitar perjuicios a la salud
http://www.estrucplan.com.ar/Articulos/campose.asp
(5) Tesis doctoral en Medicina Doctor Cauman
Laurent, " Los accidentes por fulminación ", en francés "
Les accidents de la fulguration". http://www.rayos.info/pagina_nueva_4.htm
(6)Las erupciones solares son alguna de las causantes
del aumento de la saturación de la carga en la atmósfera.
http://www.elmundo.es/elmundo/2002/05/10/ciencia/1020994850.html
.
(7) Se espera una máxima actividad solar
para el año 2012.
http://ciencia.nasa.gov/headlines/y2001/ast15feb_1.htm
.
(8) solo en Brasil mueren cien personas por año.
http://www.terra.com.uy/canales/ciencias/25/25657.html
(9) Informe normativas de pararrayos ESE,
PDC o PDA y nuevas directrices de investigación CT http://www.iie.org.mx/2001e/apli.pdf
.
Redes de vigilancia de parámetros meteorológicos.
http://www.cofis.es/pdf/fys/fys12_04.pdf
El choque del viento solar con la atmósfera
altera las redes de comunicación en la Tierra.
http://ciencia.msfc.nasa.gov/headlines/y2003/22apr_currentsheet.htm
Información complementaria y fotos de
meteorología.
www.meteored.com
Mapa dinámico de las ultimas 24 horas
sobre la evolución de los impactos de rayos de toda Europa Météorage.
Mapa estático de las ultimas 24 horas
que representa las zonas afectadas por rayos con intensidades y polaridad,
preediciones , satélite, todo relacionado con la información
meteorológica Instituto Nacional de Meteorología Español.
Modelos Conceptuales: Rayos (MCM2)
Olinda Carretro Porris Francisco Martín León
Servicio de Técnicas de Análisis y Predicción
http://www.met.ed.ac.uk/calmet/conferences/calmet01/cd/vazquez/tor/tor.htm
Diferentes modelos de pararrayos. Facultad de
Ciencias Exactas, Ingeniería y Agrimensura - Escuela de Ciencias
Exactas y Naturales, Departamento de Física. http://www.fceia.unr.edu.ar/~fisica3/Tormentas.pdf
Los efectos secundarios derivados de la actividad
eléctrica atmosférica Roy B. Carpenter, Jr. y Dr. Yinggang
Tu.
http://www.lecmex.com/4.html
INTAR S.L. C/Dells
Escals nº 9 301-Escaldes-Engordany, Principat d'Andorra.
Web. www.rayos.info
- www.int-sl.ad ( Catalan, Frances y Español ).
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