1. DESCARGA ELECTRICA ATMOSFERICA (RAYO)
Uno de los fenómenos
naturales más destructivos es la “Descarga Eléctrica Atmosférica o Rayo”, que
relacionado con los grandes y preocupantes cambios climáticos, tiene como origen la “Actividad Eléctrica Atmosférica”.
Un Rayo o “descarga eléctrica atmosférica”, es
un arco eléctrico, que tiene su origen
en una Nube de Tormenta (Cúmulos Nimbus) a la que se le conoce como “Célula de
Tormenta”.
Un “arco eléctrico” se genera entre DOS puntos
o “polos” de signos opuestos, “POSITIVO” – “NEGATIVO”. Para que se produzca el
arco eléctrico o rayo entre la “Nube de Tormenta” (Polo Negativo) y la “Tierra
Física” (Polo Positivo) se requiere una diferencia de potencial de 108
Volts, la corriente que circula en el canal del rayo puede ser de hasta 500 KA,
a una Frecuencia de entre 20 KHz y 200 MHz.
¿CÓMO OPERA UNA DESCARGA
ELÉCTRICA ATMOSFÉRICA (RAYO)?
Desde el primer
momento en que se tiene conocimiento de que un rayo es “una descarga eléctrica”, científicos e ingenieros han estudiado e
investigado con profundidad las tormentas y descargas eléctricas atmosféricas
(sin embargo, LA PROTECCIÓN contra
los rayos no ha cambiado substancialmente desde los tiempos de Benjamín
Franklin). Después de más de DOS siglos de estudios e investigaciones, nuevos y
sofisticados instrumentos que han aportado grandes conocimientos, todavía hay
muchas incógnitas acerca de este fenómeno que no ha sido claramente entendido. Para entender cómo opera la
protección contra descargas eléctricas atmosféricas y cuál es el sistema de
protección más adecuado para diferentes aplicaciones, es necesario un análisis
de lo que es el fenómeno.
Mecánica del Rayo
Las nubes de
tormenta son cuerpos cargados eléctricamente, suspendidos en una atmósfera que
puede considerarse, en el mejor de los casos, como un conductor pobre. Durante
una tormenta eléctrica, ocurre una separación de cargas eléctricas dentro de la
nube.
El potencial en la
base de la nube, generalmente se considera que alcanza cerca de cien millones
de volts y el campo electrostático resultante es de 10 kV por metro de
elevación sobre la superficie de la tierra. El proceso de carga (o separación
de la carga eléctrica) dentro de la célula de tormenta, generalmente deja a la
base de la nube con una carga eléctrica de polaridad negativa, sin embargo, en
muy raras ocasiones, llega a ocurrir lo contrario. (En el próximo Blog se
analizará “El Origen de los Rayos”).
Esta carga
eléctrica resultante, induce una carga eléctrica similar de polaridad positiva
en la tierra, concentrándose en la superficie, justo en el rastro o la sombra
que deja la nube y más o menos, con el mismo tamaño y forma de la nube (Ver
figura 1).
A medida que la
tormenta eléctrica crece en intensidad, la separación de carga continúa dentro
de la nube, hasta que el aire entre la nube y la tierra no puede actuar más
como aislante eléctrico. El punto de ruptura específico varía con las
condiciones atmosféricas.
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Figura 1: Separación de Cargas
Las formaciones de
relámpagos de baja intensidad llamadas “paso líder”, se mueven de la base de la
nube hacia la Tierra. Estos pasos son de más o menos la misma longitud, y esa
longitud está en relación directa con la carga eléctrica en la célula de la
tormenta (la nube) y la corriente pico del rayo.
Estos pasos líder,
varían en longitud de 10 metros a más de 160 metros, para una descarga
eléctrica de polaridad negativa. A medida que los pasos líder se acercan a la
tierra, el campo eléctrico entre los pasos líder se incrementa con cada paso.
Finalmente, a casi
un “paso líder” de distancia de la tierra, en una estructura, o en una instalación sobre la tierra, se establece una
“zona de impacto”, como se ilustra en la Figura 2. Una zona de impacto en forma
de hemisferio, con un radio igual a la longitud del “paso líder”. El campo
eléctrico dentro de la zona de impacto es tan grande, que crea “streamers” o
flámulas, moviéndose hacia arriba desde los objetos que están sobre la tierra.
El primer streamer que alcance al “paso líder”, cierra el circuito eléctrico e
inicia el proceso de neutralización de la carga eléctrica de la nube.
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Figura 2: Zona de Impacto
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Cuando se
encuentran estructuras entre la tierra y la célula de tormenta (nube), esas
estructuras se cargan eléctricamente. Puesto que ellas acortan una parte de la
separación del espacio de aire, ellas pueden disparar un rayo, ya que la
estructura reduce una porción significativa del espacio de aire intermedio.
La neutralización
de la carga eléctrica del rayo, es causada por el flujo de electrones de un
cuerpo a otro, de tal manera que como resultado, no habrá una diferencia de
potencial entre dos cuerpos después de la neutralización (Ver Figura 3).
El proceso crea el
mismo efecto que cuando se acercan las
terminales ( + - ) de una batería. Un
arco eléctrico.
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Figura 3: Neutralización de la carga eléctrica (“Rayo”)
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Efectos Secundarios
El relámpago se
define como el resultado de un canal ionizado de una descarga eléctrica
atmosférica; un rayo es una sobre corriente en ese canal. Hay cuatro diferentes
efectos secundarios que acompañan a un relámpago. Estos son:
·
Pulsos
Electromagnéticos (EMP)
·
Pulsos
Electrostáticos (ESP)
·
Corrientes
Transitorias de Tierra
·
Carga
Electroestática
Pulsos
Electromagnéticos (EMP)
Los pulsos
electromagnéticos, 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 que se
establece el canal de descarga del rayo entre la nube y la tierra, llega a
formarse un camino tan conductivo como un conductor eléctrico.
La corriente de
neutralización comienza a fluir rápidamente, en relación directa con la
impedancia en el canal de descarga y la carga eléctrica de la nube de tormenta.
La relación de crecimiento de estos pulsos de corriente, varía en órdenes de
magnitud. Ellos han sido medidos en niveles de arriba de 510 kA por
microsegundo. Un promedio práctico, podría ser de 100 kA por microsegundo.
Las corrientes que
fluyen a través de un conductor, producen un campo magnético en relación a las
mismas. Ya que estas corrientes de
descarga crecen rápidamente y alcanzan corrientes pico de cientos de miles de
amperes, los pulsos magnéticos que ellos crean pueden ser muy significativos.
El voltaje inducido resultante (EMP) Pulsos Electromagnéticos, dentro de
cualquier grupo donde existen varios cables que corren paralelamente, puede
también ser muy significativo (Ver figura 4).
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Figura 4: Canal de Descarga
del Rayo (EMP)
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A medida que las
nubes se cargan eléctricamente, aparece un paso líder descendente en la base de
la nube de tormenta. Conforme el paso líder descendente se acerca a la tierra,
otro paso líder ascendente lo alcanza, y entonces ocurre el rayo de retorno. Un
descomunal aumento de carga acompaña a este rayo de retorno, la cual actúa como
una gigantesca antena de onda viajera, generando potentes ondas de pulsos
electromagnéticos (EMP). Por lo que, los EMP de una descarga eléctrica
atmosférica, pueden propagarse a grandes distancias y afectar grandes áreas
(Ver Tabla 2).
Tabla
2
Datos
del Rayo de Retorno de una Descarga Eléctrica Atmosférica
Corriente 1 de Retorno
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5 kA – 200 kA
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di/dt
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7.5 kA/µs a 500 kA/µs
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Velocidad
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1/3 velocidad de la luz
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Longitud (altura de las
nubes de tormenta)
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3 – 5 km. Sobre la
superficie
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Cualquier línea de
transmisión o de datos aérea, también sufrirá o será afectada por las
interferencias de los EMP, derivados de una descarga eléctrica atmosférica, a
pesar de que esté blindada. Los EMP de un rayo, tienen un amplio espectro y la
mayor parte de su energía está en la banda de baja frecuencia. De ahí que, los
EMP de un rayo puedan penetrar el blindaje y causar interferencias en el
sistema.
Los EMP también
tienen relación con los efectos secundarios que resultan del flujo de corriente
en el sistema de tierras. En esta situación, el rápido cambio de corriente en
relación al tiempo (di/dt) crea un campo magnético, el cual será inducido a
cualquier línea subterránea que pase cerca, o vaya paralela en cualquier tramo
del sistema de tierras.
Resumiendo,
la cercanía de cables o alambrado subterráneo que se cruce o corra
paralelamente, da como resultado la transferencia de energía (EMP). (Ver Figura
5). Esa energía no siempre causa daño en la acometida del servicio eléctrico;
sin embargo, siempre resultará muy alta y será suficiente para dañar a los circuitos
de las líneas de datos, y Equipo Electrónico.
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Figura 5: EMP de Corriente de Tierra
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Pulsos
Electrostáticos (EMP)
Los transitorios
atmosféricos o pulsos electrostáticos, son el resultado directo de la variación
del campo electrostático que acompaña a una tormenta eléctrica. Cualquier conductor
suspendido sobre la superficie de la tierra, está inmerso dentro de un campo
electrostático y será cargado con un potencial en relación a su altura (i.e.
tantas veces la altura por la intensidad del campo), sobre la superficie de la
tierra. Por ejemplo, una línea de distribución o telefónica aérea, a una altura
promedio de 10 metros sobre la tierra, en un campo electrostático medio,
durante una tormenta eléctrica, se cargará con un potencial de entre 100 kV y
300 kV con respecto a la tierra. Cuando ocurre la descarga (rayo), esa carga
deberá moverse hacia abajo en una línea, buscando un camino a la superficie de
la tierra. Cualquier equipo conectado a esa línea, proveerá el camino hacia la
tierra.
A
menos que ese camino esté protegido adecuadamente, será destruido durante el
proceso de la descarga a tierra para neutralizarse. Este fenómeno es conocido
como transitorio atmosférico inducido. La elevación y caída de voltaje
electrostático, también está relacionado con los pulsos electrostáticos (ESP).
(Ver Figura 6).
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Figura 6: Pulsos Electrostáticos
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De acuerdo con la
teoría electromagnética, las cargas estáticas, se acumulan en la superficie de
cualquier objeto sobre la tierra. La densidad de carga es proporcional a la
magnitud de esos campos electrostáticos. A mayor densidad de carga, mayor es el
riesgo de una terminación o alcance de un paso líder.
Una estructura
metálica vertical inmersa en estos campos electrostáticos, especialmente,
aquellas que terminan en forma de punta, tienen una considerable diferencia de
potencial con respecto a la tierra. Si la estructura no está aterrizada, puede
causar arcos eléctricos y en algunos lugares con clasificación de alto riesgo,
puede iniciarse un incendio o bien, alterar el funcionamiento o incluso dañar al
equipo electrónico, generalmente, muy sensible.
Corrientes
Transitorias de Tierra
La corriente
transitoria de tierra es el resultado directo del proceso de neutralización que
sigue a un impacto de rayo. El proceso de neutralización, es consumado por el
movimiento de la carga a lo largo o cerca 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 desde el punto donde se inicia, al punto donde termina el rayo. Esto
induce un voltaje en relación con la carga, que se maneja en esos conductores,
lo cual otra vez está relacionado con la cercanía a donde el rayo se impactó.
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Figura 7: Corrientes Transitorias de Tierra
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A este voltaje
inducido se le llama “corriente transitoria de tierra” y aparece en alambres
conductores, tuberías y otras formas de conductores. Si los conductores están
blindados, los alambres internos experimentarán la primera inducción de la corriente
que fluye por el blindaje. Aunque el proceso de descarga es muy rápido (20
microsegundos) y la relación de crecimiento al pico es tan pequeña como 50
nanosegundos, el voltaje inducido será muy alto (Ver Figura 7).
La terminación de
un rayo de retorno en la tierra puede causar los efectos siguientes:
1.
Puede
causar arqueos a través de la tierra a tuberías de gas adyacentes, cables o
sistemas de tierra. (Normalmente se considera un gradiente de ruptura de 50 kV/m.
Por ejemplo, la resistencia al pie de una torre de energía es de 10 Ohms, la
corriente del rayo de retorno es 200 kA, y la distancia de separación mínima es
de 40 metros).
2.
La
corriente de sobrecarga, puede correr por la tierra paralelo al sistema de tierras
electrónico existente, lo cual originará una distribución de elevación de
potencial de tierra no uniforme (GPR) en el sistema de tierra. Por ejemplo, dos
alambres de tierra de 10 metros enterrados con una resistencia de aterrizaje de
31.8 Ohms, están separados a 5 metros. Cuando fluye una corriente de 75 amperes
en uno de los electrodos de tierra, los otros electrodos tendrán una elevación
de voltaje de aproximadamente 188 volts.
Carga Estática
La causa más común
de incendios en instalaciones donde se manejan productos del petróleo
relacionadas con rayos, es el fenómeno conocido como “carga estática”
resultando arcos eléctricos secundarios (CE/AS).
Para entender el
riesgo de CE/AS, es necesario entender cómo se forma la carga estática y como
resultan los arcos secundarios provocando el incendio. La célula de tormenta
induce la carga estática en cualquier estructura inmersa en la tormenta. La
carga estática (amperes-segundo) está relacionada con la carga en la célula de
tormenta. Debido a que los productos del petróleo generalmente son almacenados
en tanques metálicos que son conductores eléctricos, esos contenedores y el
producto almacenado se cargan eléctricamente, resultando una diferencia de
potencial entre el tanque y la tierra física del lugar. Después de la tormenta,
la carga eléctrica del producto se moverá lentamente hacia las paredes del
tanque.
La tierra en
condiciones normales, tiene carga eléctrica de polaridad negativa con respecto
a la ionosfera. Cuando aparece una célula de tormenta entre la Ionosfera y la
tierra, la carga positiva es inducida sobre la superficie de la Tierra,
neutralizando la carga negativa y cargándose rápidamente con carga eléctrica de
polaridad positiva.
Un Tanque de
Almacenamiento Metálico, está al mismo potencial de la tierra, positivo antes
del rayo, pero instantáneamente, es negativo después del rayo.
Los arcos
secundarios, resultan con el repentino cambio de la carga (20 microsegundos) de
la pared del tanque (polaridad negativa), y la carga eléctrica de polaridad
positiva del producto contenido en el tanque.
La Puesta a Tierra
no tendrá una influencia significativa en el potencial del fenómeno CE/AS. La
protección contra rayos convencional no puede prevenir la Carga Estática (CE) /
Arcos Secundarios (AS), porque no hay un camino de descarga confiable
y disponible.