Chem-Rod (Electrodo de tierra de muy baja resistencia)

16. CHEM-ROD (ELECTRODO DE TIERRA DE MUY BAJA RESISTENCIA)

Dissipation Array System (DAS)

15. DISSIPATION ARRAY SYSTEM (DAS)

Protección contra descargas eléctricas atmosféricas (rayos)

14. PROTECCION CONTRA DESCARGAS ELECTRICAS ATMOSFERICAS (RAYOS)

Shunts en el techo flotante del tanque

Los incendios de los tanques de almacenamiento de productos derivados del petróleo, son más frecuentes de lo que se puede pensar. Aproximadamente una tercera parte de todos los incendios conocidos de tanques de almacenamiento de hidrocarburos, son originados por descargas eléctricas atmosféricas (rayos), (las más severas, son muy probablemente debidas a los rayos, pero nunca son reportados). Los tanques de Techo Flotante son especialmente vulnerables a las descargas eléctricas atmosféricas (rayos).

Para combatir el riesgo de los “anillos de fuego” en los tanques de almacenamiento, la industria petrolera ha venido usando derivaciones de láminas metálicas llamadas “shunts”  que conectan eléctricamente la concha o pared del tanque con el techo flotante. Desafortunadamente, la conexión eléctrica con esos “shunts” no es efectiva y crea un gran riesgo de generar arcos eléctricos debidos a:

1.- Corrosión y oxidación en la pared del tanque, depósitos de cera, y pintura pueden crear una capa interna en la concha del tanque, esto incrementa la resistencia eléctrica. 

2.- El techo flotante puede con el movimiento separarse ligeramente del centro y desconectar algunos de los “shunts” de la pared del tanque.

3.- Pruebas del API han demostrado que los “shunts” formaran arcos eléctricos bajo todas estas condiciones.

Alrededor del Año 2003 el Instituto Americano del Petróleo (API) creó un Comité técnico para evaluar esta situación para recomendar la solución adecuada. Como resultado, el API ha emitido un documento titulado API – RP -  545,  Recomendación Práctica para la Protección contra las descargas eléctricas de los Tanques de Almacenamiento sobre la tierra para líquidos inflamables o combustibles, la que se  integra a la Norma.

En este documento del 2009 “Mejorando la Seguridad contra las descargas eléctricas atmosféricas de los tanques de almacenamiento de Petróleo” participa Joe Lanzoni, V.P. de Ingeniería de Ventas para perfilar los descubrimientos y recomendaciones de los esfuerzos de los comités y mayores detalles. Sin embargo, los dos descubrimientos más importantes son los siguientes:

1.- Cuando la corriente de la descarga eléctrica atmosférica pasa através  de los “shunts” del techo flotante a la pared del tanque, el resultado será un arco eléctrico bajo todas las condiciones.

2.- Es la tardanza del componente del impacto del rayo lo que incendia los vapores inflamables. Por lo tanto, cuando el componente lento de un impacto de rayo pasa através de cualquier interface entre el techo flotante y la pared del tanque, los vapores inflamables están presentes y ellos iniciarán el incendio.

Además, el API en 2008/2009 liberó esta declaración en la actualización de la Norma “API RP 545 – LIGHTNING PROTECTION FOR ABOVE GROUND STORAGE TANKS”.

El proceso de actualización de “Pruebas” sigue funcionando con los siguientes resultados:

Para la Norma de Protección contra rayos NFPA 780, los shunts se requieren para ser instalados en los tanques de techo flotante arriba del sello a 3 metros (10 pies) espaciados alrededor del perímetro del tanque. El propósito de estos shunts es para ofrecer un medio conductor desde el techo del tanque a la pared del tanque. 

Las pruebas efectuadas de acuerdo con la Norma NFPA RP 545, “Lightning Protection for above Ground Storage Tanks” el grupo encargado de estas pruebas ha demostrado que estos shunts pueden generar flujos de chispas durante el impacto de las descargas eléctricas atmosféricas (rayos). Si esta es una brecha entre el sello y la pared del tanque durante un impacto de rayo y si la mezcla inflamable está presente, puede resultar el fuego dentro del tanque.

Luego entonces, la mejor protección contra la descarga eléctrica atmosférica es un sello con un contacto permanente y hermético con la pared del tanque, esto refuerza la necesidad de establecer programas de inspección de los sellos y de mantenimiento. También, el acceso a los tanques deberá ser restringido, cuando exista la posibilidad de tormenta y descargas eléctricas atmosféricas (rayos).

De acuerdo con la Norma API RP 545 los programas de trabajo deben ser planeados para efectuar pruebas adicionales a fin de evaluar métodos alternativos que ofrezcan medios conductores entre el techo del tanque y la pared del tanque para conseguir el propósito de la NFPA 780. Los resultados de las pruebas y la disminución de los valores recomendados deberán incluirse en una nueva RP 545 “ Lightning Protection for Above Ground Storage Tanks”.

En una respuesta a esta emisión el Comité hizo algunas recomendaciones una de las cuales es: “Instalar conductores [bypass] entre el techo flotante y la pared del tanque con una separación entre ellos no mayor a 30 metros, alrededor de la circunferencia del tanque. Estos conductores [bypass] deberán ser tan cortos como sea posible y espaciados uniformemente alrededor del techo.

Esto fue y es la razón principal que catapultó el invento del RGA (Retractable Grounding Assembly.

PORQUE EL RGA!!!

Los tanques de techo flotante son especialmente vulnerables a los efectos directos e indirectos a las descargas eléctricas atmosféricas. Un impacto de rayo directo o cercano originará corrientes eléctricas que fluirán através de toda la pared y el techo del tanque. Cuando ocurra esto, en la interface entre el techo flotante y la pared del tanque se formarán arcos eléctricos que pueden incendiar los vapores inflamables que pueden estar presentes dentro del tanque.

Por lo tanto, es importantísimo conectar eléctricamente el techo y la pared del tanque para prevenir esos arcos eléctricos.

Substancialmente se reduce el riesgo de los arcos eléctricos sostenidos que se requiere eliminar  todo el tiempo, para mantener una bajísima impedancia, muy baja resistencia eléctrica de conexión entre la pared y el techo del tanque. Adicionalmente, la conexión deberá funcionar independientemente de las condiciones en que se encuentre la pared del tanque.

El RGA no se afecta por las condiciones del tanque porque el RGA y el cable están enrollados para condiciones óptimas sobre la pared del tanque y el techo flotante. Cuando se instalan adecuadamente, varios RGA’s en cada tanque, se provee un medio conductor de baja impedancia, para descargar con seguridad las corrientes del rayo.

Desde que comenzó a usarse, el RGA ha sido mejorado varias veces para alcanzar las exigencias de una industria siempre cambiante, nuevas substancias y nuevas tecnologías. Con la versión más reciente, el RGA 750 ha sido incorporado al mercado en la primavera del 2015, no solamente cumple con todas las recomendaciones y la Norma API 545, también cumple con las recomendaciones del mencionado Comité Técnico. Está aprobado por ATEX y conforme a la Norma NFPA 780. Además, es  pre-tensionado en fábrica y no en el sitio donde se requiere; usa el nuevo cable de aluminio lo que incrementa considerablemente su resistencia a la corrosión y es altamente resistente al H2S (hydrogen sulfide. Sin mencionar que está diseñado con poderosos resortes para el cable retráctil, resultando en beneficio de un incremento en la fuerza retráctil sobre todo el cable con rango de beneficio económico de 340% sobre el RGA 75, y de 600% sobre el RGA 55.

Arqueo eléctrico del RGA

Los factores de riesgo relacionados con la aplicación de sistemas de arreglo de disipación para la prevención de rayos

13. LOS FACTORES DE RIESGO RELACIONADOS CON LA APLICACIÓN DE LOS SISTEMAS DE ARREGLO DE DISIPACION PARA LA PREVENCION DE RAYOS

Antecedentes

El Sistema de Arreglo de Disipación (DAS) fue desarrollado como un Sistema de Prevención de Impactos de Rayo. Ahora, a 44 años después de la instalación del primero existen más de 15000 sistemas, hemos encontrado que la prevención de los impactos de rayo es una práctica común y en más del 99 % de las instalaciones este objetivo se logró inmediatamente. La historia de este éxito ha sido comprometida por algunas “fallas”, esto es, no fueron evitados todos los impactos. Sin embargo, en esas poquísimas ocasiones en que ocurrieron, los impactos siempre terminaron sobre el DAS y en ninguno de los casos terminaron sobre las estructuras que fueron protegidas. La mayoría de estas fallas estuvieron relacionadas con grandes torres auto soportadas instaladas en el tope de una montaña o en áreas con alta incidencia de descargas eléctricas atmosféricas.

Basados en estadísticas, LEC ha llegado a la conclusión a la fecha, que el actual riesgo de una descarga eléctrica en un área protegida con DAS es menor de uno a 200. Esto es, si normalmente terminarían 200 impactos en un área sin protección, con DAS, solo menos de uno alcanzaría el área y siempre impactando el DAS. El riesgo llega a ser muy bajo con el paso de los años. 

En alguna de estas ocasiones los observadores han notado que el DAS ha pasado rápidamente de un “Modo Incandescente” de Ionización a un “Modo Centelleante” y en pocas ocasiones el impacto ha terminado en el DAS. El Modo Incandescente podría describirse como una luz azul alrededor del ionizador; el Modo Centelleante es una condición donde los puntos llegan a ser rojos, parecidos a chispas, dispersándose en una alta corriente de ionización y haciendo un ruido. En la mayoría de los casos el centelleo fue seguido de un impacto. Es importante que lo principal de estos eventos se entiende como un buen diseño del DAS.

Debe considerarse un ejemplo significativo. En un área de Telecomunicaciones de microondas en Tailandia, se instaló un contador de rayos con un DAS en una enorme torre auto soportada de 100 metros de alto localizada en una montaña elevada. En un año este contador de rayos registro una corriente pico fluyendo a tierra. Este contador registró nueve corrientes pico mayores de 2000 amperes. Sin embargo, los daños al sistema solo ocurrieron en cuatro ocasiones. Las estaciones mostraron que habían sido impactadas 66 veces cada año. Antes de que se instalara el DAS, con cualquier corriente el sistema se dañó. El DAS también se dañó en cuatro lugares confirmando que solamente cuatro rayos fueron colectados.

Evidencias de la Información colectada.

1. Fallas ocurridas cuando la energía del rayo líder excede la capacidad del ionizador del DAS que fué impactado.
2. El ionizador del DAS siempre colectó (recibió) el rayo líder que alcanzó el área protegida.
3. La corriente de ionización pico ha sido medida en niveles que exceden los 2 Kamps por menos de UN milisegundo.
4. Las mediciones hechas en Tailandia registraron elevadas corrientes de ionización sin impactos directos de rayo.
5. El ionizador puede producir grandes cantidades de corriente de ionización conforme pasa al Modo Centelleante de ionización, como fue evidenciado por las chispas sin un impacto. Tanto el Jefe de Consultores de LEC como algunos Clientes han observado las chispas y han oído el centelleo, no el trueno cercano.

Explicación Física de la Situación.

Para completar el proceso de descarga, el ionizador del DAS debe ser capaz de transferir la mayor parte, si no es que el total, de la carga (amperes segundos) inducida en la instalación por la celda de tormenta, o por un paso líder del rayo acercándose lo cual representa el peor de los casos. Cuando el campo eléctrico de una tormenta (antes de un rayo) tiene un potencial de entre 10 y 30 Kv/m, la densidad de carga relativa puede ser de 10^-9 Coulombs por metro cúbico (Coulombs C = amperes segundo), durante el tiempo que un paso líder se acerca al ionizador. Este valor puede crecer a niveles mucho más altos. 10^-3 Coulombs por metro cúbico puede considerarse un valor promedio, en la punta de ese paso líder. La Figura No. 1 presenta el rango de las cargas eléctricas bajando en un paso líder en función del riesgo. Nótese que cuando la carga promedio puede ser de 20 Coulombs, los valores máximos pueden exceder los 200 Coulombs. Sin embargo, la oportunidad de una ocurrencia es menor de UNO en MIL.

De la información anterior, es obvio que cuando más se requiere diez veces el área del Ionizador para descargar una carga promedio de 20 Coulombs de la carga de 200 Coulombs. Este requisito puede derivarse analíticamente usando las pruebas de información de LEC y las estadísticas disponibles sobre rayos.

La Figura 1 presenta el rango de la carga  eléctrica descargada por un rayo en función del riesgo. Nótese que cuando el 50% de estas descargas son de 20 Coulombs o menos, el 99.9 por ciento pueden ser de 200 Coulombs. Usando estos datos y los presentados por la Figura 2, puede calcularse el número de puntas requeridas para cualquier descarga de rayos potenciales, en función de la altura de la estructura soporte y el campo eléctrico relativo. Como un ejemplo, considerar la tabla No. 1 donde el número de puntas requerido para disipar una carga determinada para diferentes alturas estimadas.

TABLA 1

NUMERO DE PUNTAS IONIZADORAS REQUERIDAS PARA DIFERENTES CARGAS EN UN CAMPO ELECTRICO DE 20 KV/METRO DE ELEVACIÓN DONDE EL IONIZADOR ESTA INSTALADO A 30 METROS DE ALTURA.

En realidad, estos datos son para una situación optimista y una pesimista. Ellas son optimista porque, si el paso líder esta descargando una carga mayor a 20 Coulombs, el Ionizador deberá saturarse. Sin embargo, es pesimista porque a medida que el líder se aproxime al Ionizador, el campo eléctrico crece linealmente con una separación reducida (ver Figura 3) pero la corriente de ionización aumenta exponencialmente con espaciamientos reducidos. Esta dicotomía resulta en un diseño conservador, si se basa en el antecedente de un criterio general. Sin embargo, deberá tenerse mucho cuidado al usarse estos datos ya que solamente define el número de puntas requeridas, bajo condiciones ideales. El donde y como distribuirlos es otro asunto que todavía no está definido. Esta información requiere de Estudio y Preparación en el Tema además de la formación de un Criterio propio.

Análisis de la Información.

La información anterior describe la situación del DAS, especialmente bajo las “peores” circunstancias. También describe un Método de requisitos de ionización estimados. Por tanto aparece que los requisitos de Ionización pueden estimarse dentro de un grado de precisión razonable, la pregunta que presenta es: Porqué algunas Fallas?. Esto es, porque algunos líderes pueden alcanzar el Ionizador?. Las razones son:

1. Existe normalmente un límite en el Costo.
2. Hay limitaciones Físicas (cargas de viento, el uso de área disponible).
3. Áreas limitadas (interferencia con el patrón de radiación de la antena, áreas operativas, limitaciones en la altura)

Podríamos agregar un diseño deficiente, pero que normalmente se relaciona con aplicaciones inadecuadas de los requerimientos. Esto es,  cuantos y cuando aplicarlos.

Que podemos concluir.

1. El DAS puede llegar a un estado de saturación (el modo centelleante) donde el flujo de corriente de iones es tan alto por unidad para el área del ionizador, para mantener al ionizador en el Modo de Ionizador Incandescente o Modo efecto Corona.
2. Cuando el DAS entra en el estado de saturación puede: a) Entrar en el Modo Centelleante y no colectar el rayo o, b) pasar a ese modo y colectar el rayo.
3. La energía del impacto del rayo se haya reducida considerablemente, y si cuando alcanza al DAS, o si una vez neutralizado no alcanza a proteger el sitio.

Resumen.

Todos los Sistemas de Arreglo de Disipación (DAS) están diseñados para prevenir impactos directos de rayo. Sin embargo, debido al Costo o limitaciones estructurales, LEC diseña algunos Sistemas para prevenir 199 de 200 rayos y colectar 1 de los 200, de los rayos de muy alta energía. La altísima confianza de los Sistemas de Arreglo de Disipación está diseñada para prevenir al menos 999 de 1000 impactos de rayo pero la capacidad del Ionizador y el consecuente costo de este se incrementa de acuerdo con esa capacidad. 

Figura 1

Frecuencia de distribución de la carga bajando por relámpago de rayo por relámpagos trayendo carga negativa a la tierra. Descargas iniciadas por pasos líder moviéndose hacia abajo y descargas iniciadas por pasos líder moviéndose hacia arriba están incluidas ambas.

Figura 2

Corriente de Iones en función de un fuerte campo eléctrico ( Nivel 200 Puntas).

Figura 3

Incremento en el campo eléctrico en función del avance del paso líder.

Protección contra impactos directos de rayo

12. "PROTECCION CONTRA IMPACTOS DIRECTOS DE RAYO"

La Protección contra descargas eléctricas atmosféricas ha llegado a ser absolutamente necesaria para todo tipo de Industrias, e instalaciones alrededor del mundo. La relación, frecuencia y fuerza de los rayos asociada con las tormentas eléctricas se ha ido incrementando al paso del tiempo.

Areas en donde normalmente no se reportaban muchas descargas eléctricas atmosféricas, están siendo golpeadas con más frecuencia por fuertes impactos de rayo y densas tormentas que están impactando más severamente y por más tiempo muchos sitios. En el Noreste de los Estados Unidos, el Sureste de México y en Europa se ha observado un incremento del número de descargas eléctricas atmosféricas de acuerdo con las mediciones reportadas en los años recientes.

De acuerdo con los reportes de Lloyds y el Instituto de Información de Seguros, las pérdidas relacionadas con las descargas eléctricas atmosféricas son arriba del 15% del 2009 al 2010, en un estudio del 2006  hecho por la Universidad John Moores de Liverpool, los rayos contabilizados influyeron en un 61% de todos los accidentes en áreas de almacenamiento de productos inflamables y actividades de áreas de proceso. En Norte América, 16 de cada 20 tanques de almacenamiento de productos derivados del petróleo se vieron afectados como resultado de los impactos de rayo. En 2009 el Instituto Nacional de Seguridad contra Rayos reportó que los daños por rayos y las pérdidas relacionadas con ellos excedieron los 5 000 millones de dólares. De acuerdo con la Asociación de Seguros Británica, los daños por el mal tiempo en el 2007 en el Reino Unido durante un año “normal”, es probablemente el doble que en cualquier año.

De tal manera que, hoy más que nunca es tiempo de evaluar los riesgos asociados a los impactos directos de los rayos.

Lo único sensato para evitar el “esto no debe ocurrir” es la PROTECCION CONTRA RAYOS, para prevenir los grandes desastres derivados de los mismos.

Cada situación, así como cada instalación es única, y debe incluir la  protección contra el rayo y sus efectos primarios (impacto directo del rayo por medio del sistema de Transferencia de Carga), así como la protección contra los efectos secundarios del rayo (Sistema de Puesta a Tierra y protección contra los eventos eléctricos transitorios por medio de Equipo TVSS). Sin una protección que incluya todo lo que se recomienda arriba y considerando todos los aspectos de riesgo y puntos vulnerables dentro de la instalación a proteger, no se puede GARANTIZAR UNA PROTECCION REAL. En la eliminación y prevención de rayos, nuestros consultores expertos y /o Ingenieros, dependiendo de los requerimientos del Cliente, se estudia cada proyecto tomando en cuenta todas las características y requerimientos del área que se va a proteger asegurando que se ofrezca una solución integral. Trabajando con un Equipo Técnico que ofrezca en cualquiera de los Servicios que el Cliente necesite, alcanzar una PROTECCION contra descargas eléctricas atmosféricas completa y exitosa.

QUIEN ES “LIGHTNING ELIMINATORS & CONSULTANTS, INC.” (LEC INC.).

Lightning Eliminators & Consultants, Inc., está dedicado a la PROTECCION CONTRA DESCARGAS ELECTRICAS ATMOSFERICAS Y PREVENCION DE RAYOS, INTEGRAL. Y EL DISEÑO Y FABRICACION DE LOS PRODUCTOS Y EQUIPOS DE LOS SISTEMAS DE PROTECCION CONTRA RAYOS. En la Ingeniería de los Sistemas de Puesta a Tierra, las pruebas, y el diseño de la protección contra los eventos eléctricos transitorios; LEC usa la TECNOLOGIA del innovador SISTEMA DE TRANSFERENCIA DE CARGA, patentado, ofreciéndole una clara y completa consultoría, asesoramiento y diseño. Todo el trabajo está respaldado por principios técnicos de Ingeniería y Física, los cuales le han permitido a LEC instalar y mantener exitosamente los Sistemas de Protección contra rayos previniendo los impactos de rayo y proteger contra los efectos secundarios de los rayos todo tipo de instalaciones en más de 70 Países, en todo el Mundo, por más de 45 años.

LEC ha protegido por medio de Diseños y  Productos de su propiedad como los Sistemas de Arreglo de Disipación/Sistemas de Transferencia de Carga, Dispositivos Retractiles para Tierra (RGA’s por sus siglas en ingles), para tanques de almacenamiento de techo flotante de los cuales LEC ha protegido la mayoría de los de las compañías de Global 1000, previniendo desastres y pérdidas de eficiencia y sustentabilidad en múltiples Industrias dentro de las que se incluyen pero no son limitativas como: PETROLERAS Y DE GAS, PETROQUIMICAS, FABRICANTES DE QUIMICOS, TECNOLOGIAS DE LA INFORMACION, ENERGIA NUCLEAR, MINERIA, GENERADORAS DE ENERGIA, DE SERVICIOS, TRANSPORTES, INDUSTRIAS MANUFACTURERAS Y MUCHAS MAS.

La Compañía Lightning Eliminators & Consultants Inc., fue fundada en 1971 por Roy B. Carpenter Jr., y aún funciona hoy en día bajo la Dirección y Supervisión de la Familia Carpenter en la Ciudad de Boulder, Colorado, USA.

El Sr. Roy B. Carpenter trabajó como Jefe de Ingenieros en las Misiones del Proyecto Apollo a la Luna de la NASA, y en el Grupo de Ingenieros de Diseño del Transbordador Espacial. Las descargas eléctricas atmosféricas y una gran cantidad de problemas atmosféricos frecuentes en Cabo Cañaberal, dieron soporte a la formación de Lightning Eliminators & Associates como precusor de Lightning Eliminators & Consultants, Inc., establecidos en ese orden para investigar y aplicar los principios de ingeniería para solucionar los problemas derivados de los impactos directos de los rayos, y establecer las bases de diseño de los Sistemas  de PREVENCION de las descargas eléctricas atmosféricas basados en la Física de la Atmósfera y apoyados en los estudios científicos de la “punta de descarga” más allá de los trabajos de observación y supuestos convencionales sin respaldo científico que por más de 250 años han tenido como respaldo los Sistemas pararrayos para tratar el fenómeno del rayo.

Después de un minucioso estudio de investigación de los problemas asociados con las “descargas eléctricas atmosféricas” (rayos), durante los últimos 45 años, LEC ha desarrollado la Ingeniería de Diseño de dispositivos modulares para los Sistemas de PROTECCION contra descargas eléctricas atmosféricas que han eliminado los impactos directos y los daños de los rayos en cientos de Sitios desde que LEC fue fundada. 

 La confianza en LEC para solucionar los problemas no solo se ha mantenido, actualmente se ha aumentado con la garantía de NO RAYOS para todos y cada uno de los Clientes que adquieran un Sistema y lo Recertifiquen cada año. A través del tiempo, la relación éxito y confiabilidad en los Sistemas de transferencia de carga por medio del punto de descarga permanece en 99.87% con más de 60 000 Años-Sistema y más de 3 500 Sistemas instalados.

Además, como complemento, los dispositivos de medición para la protección contra descargas eléctricas atmosféricas para mantener informados a nuestros Clientes de la posible llegada de tormentas eléctricas, rayos y más fenómenos atmosféricos. LEC es una fuente de conocimiento para todos los aspectos relacionados con la prevención de los impactos de rayo, manejo, control y mitigación de riesgos relacionados.

Como prevenir el impacto directo de rayo en el siglo XXI

Protección contra rayos y prevención de impactos directos

10. PROTECCIÓN CONTRA RAYOS Y PREVENCION DE IMPACTOS DIRECTOS

INTRODUCCION.

Para ayudar a explicar los efectos que puede tener un rayo sobre un equipo, debemos primero entender el fenómeno físico del rayo. Entonces aplicamos este conocimiento científico a los principios de la ingeniería eléctrica. Finalmente desarrollamos una solución de ingeniería que satisfaga un objetivo específico y el alcance de un proyecto. El objetivo puede tener un rango desde la simple protección de un rayo hasta la prevención de rayos con el 100% de garantía de eliminar el rayo.

El alcance puede tener el rango de la protección de un componente, a la prevención del impacto directo de rayos en un área completa. Una solución completa típica consiste de cuatro grandes componentes:

1. Consulta y servicios de ingeniería y diseño profesionales.
2. a. Atracción y colección del rayo (para protección), o

  b. Disipación de la Carga eléctrica (para prevenir el impacto directo del rayo).

     3.  Sistema de Puesta a Tierra.

     4.  Sistema de protección contra eventos eléctricos transitorios equipo TVSS.

Cada solución requiere de un estudio de ingeniería para satisfacer las necesidades específicas para una protección o prevención de rayos optima, diseño estructural e instalación integral, y seguridad eléctrica.

ALGUNOS HECHOS ACERCA DE LOS RAYOS.

Estadísticas de Tormentas de Rayos Globales:

Tormentas de Rayos cada día                                                   45 000

Tormentas de Rayos cada momento                                           2 000

Rayos de nube a tierra por segundo                                              100

Daños Globales por año                                          UN Billón de US. D. 

A medida que una Tormenta eléctrica madura, comúnmente la base de la nube acumula una gran carga negativa, mientras que en la parte alta de la nube se acumula una carga eléctrica positiva. El 90% de los relámpagos pueden ocurrir dentro de las nubes de tormenta y entre ellas. Cuando una nube de tormenta se mueve sobre un área, induce una intensidad de carga similar a la de polaridad opuesta sobre la tierra debajo de la nube. Esta es la llamada sombra eléctrica de la nube, y el resultado es un desigual y constante cambio del potencial de la tierra.

Cualquier cosa sobre la tierra en el área local acumula esta carga en varios grados, incluyendo:

1. Conductores (estructuras y contenedores metálicos, tanques de almacenamiento de petróleo, tuberías y cableados, redes de puesta a tierra, etc.) colectando y disipando estas cargas más rápidamente (en micro segundos).
2. Productos dentro de contenedores (petróleo en áreas de tanques de almacenamiento, materiales explosivos militares dentro de los polvorines), colectan y disipan estas cargas  con una lentitud relativa (la relación depende en gran medida de los materiales “aislantes” y “conductores” que le rodean).
3. Aisladores, y en algunos casos ciertos productos aislantes, colectan y disipan estas cargas más lentamente.
4. La tierra en sí misma. Colecta y disipa estas cargas en gran escala pero la relación depende en gran parte de las características geológicas (resistividad del suelo, humedad, estratificación, lagos y ríos, etc.)

El factor clave que hace la diferencia es que tan rápidamente cada uno de estos objetos acumula o disipa sus cargas. Si todos ellos están interconectados (usando el mecanismo de un “punto común” de puesta a tierra, sus cargas crecen y decrecen juntas  y al mismo tiempo. Si esto no sucede de esta manera, entonces temporalmente se desarrollan diferencias de potencial a tierra, resultando la generación de “cargas estáticas”. Si la intensidad de las cargas estáticas llega a ser lo suficientemente grande, tratarán de disiparse siguiendo el camino de menor resistencia, el cual algunas veces puede ser el conductor de tierra, y otras puede generar un arco eléctrico hacia otro conductor cercano el cual puede tener menor resistencia o impedancia.

A medida que se intensifica la tormenta, crecen las magnitudes de esas cargas, y cuando el aire entre la nube de tormenta y la tierra ya no pueden actuar como un gran aislante eléctrico, ocurre un arco eléctrico entre la nube y la tierra (el rayo). El Rayo siempre sigue el camino de menor resistencia o impedancia eléctrica.

Las Tormentas Eléctricas y los Rayos tienen las características siguientes:

Carga total de la nube                                   1 a 120 Coulombs.

Carga promedio de la nube                          10  a 40 Coulombs.

Carga transferida por un relámpago              3 a  90 Coulombs son “Descargados”

Carga promedio transferida por relámpago  25 Coulombs son “Descargados”.

Intensidad del campo eléctrico (ICE)             5 a 30 a 300 KV/m.

(Depende de la humedad del aire, la temperatura y la presión).

Promedio del ICE  por rayo                           10 KV/m. 

(Valor mínimo requerido para romper el umbral del aislamiento de la humedad del aire). 

Flámulas ascendentes múltiples                    100 a 300 KV/m.

(Bajo condiciones secas normales)

Voltaje Pico                                                     1 a 10 Billones de Volts.

       50%                                                           100 Millones de Volts.

Corriente Pico                                                  2 a 510 KA (El rayo de retorno normalmente).

        99%                                                          <  200 KA

        50%                                                          @  30 KA

Polaridad Negativa                                           >  90%

Duración (99%)                                                 30 a 200 ms.

(Promedio de un rayo de retorno 50 ms.)

Número de rayos por relámpago                       1 a 26

          50%                                                          >  4

          10 %                                                         >  9

Rango de RFI del Rayo                                      1 KHz  a 100 MHz.

          95%                                                           200 a 20 MHz.

Temperatura                                                        50 000 ºF 

Presión                                                                 10 atm. (Causando boom sónico = 

                                                                                                      Trueno).

EFECTOS DE LAS DESCARGAS DIRECTAS DE RAYO.

Muchas de las cosas malas que suceden cuando hay descargas de rayo, son los efectos directos y los efectos secundarios. Los efectos directos incluyen:

1. Calor: incendios, daños estructurales debidos a la vaporización instantánea de la humedad contenida en las estructuras (ejemplos: explosiones del concreto y de los árboles)
2. Elevados voltajes y altas corrientes de surge a lo largo de conductores en grandes distancias (entre las puntas pararrayos y los electrodos de tierra, y a lo largo de los conductores y ductos metálicos que conectan eléctricamente a los equipos).
3. Altos voltajes y altas corrientes de surge en los conductores de tierra en distancias cortas, y
4. Muerte.

Los efectos secundarios incluyen grandes cargas de pulsos electromagnéticos (EMP), corrientes transitorias de tierra, transitorios atmosféricos, y cargas estáticas (el fenómeno del arco eléctrico secundario, por ejemplo en tanques de almacenamiento de destilados del petróleo). Si ocurren descargas directas de rayo cercanas, descargas de rayo muy rápidas (microsegundos), disminuyen o neutralizan la carga del suelo local y todos los conductores interconectados. La carga eléctrica acumulada dentro del producto de un tanque de almacenamiento, no se descarga rápidamente, por lo que resulta una “carga estática” temporal.

PROTECCION DE RAYOS VS. PREVENCIÓN DE DESCARGAS DIRECTAS DE RAYO.

Las varillas pararrayos (o “Varillas Franklin”  llamadas así después de que Benjamín Franklin las usó en Junio de 1752) fueron inventadas para atraer la descarga eléctrica atmosférica (rayo) !!!!! . Fueron diseñadas para prevenir daños por fuego en estructuras, colectando y conduciendo con “seguridad” a tierra, las grandes corrientes y voltajes de un rayo a través de una varilla (electrodo) de tierra, (por favor note que los equipos electrónicos y las computadoras todavía no han sido ni siquiera imaginados en esos años…..).  Los pararrayos y las varillas de tierra han sido codificadas por la National Fire Protection Association (NFPA) así como por la Norma NFPA – 780. LEC diseña y fabrica bajo norma los “colectores” llamados Spline Ball Terminals (SBTs), listados por Underwiter Laboratories (UL). Otras tecnologías relacionadas que algunas veces son más efectivas para “atraer” las descargas eléctricas atmosféricas son llamadas Early Streamer Emitters (ESEs). Estos dispositivos actúan como super colectores e incluyen los Ion Plasma Generators (IPG) de LEC. Instalados correctamente y puestos a tierra adecuadamente, los ESEs pueden aumentar la frecuencia de impactos por descargas de rayo directas en los ESEs. Por esta razón, los IPGs se fabrican usando significativamente más robustos sus componentes. Cuando se usan los ESEs, se necesita poner más atención en el costo a pagar para proteger al sitio de los Efectos Secundarios de los rayos.

Para transferir o desviar con seguridad, un rayo colectado a la tierra, se requiere de un sistema de puesta a tierra con una ultra baja impedancia de surge. Un número y espaciamiento adecuado de electrodos del tipo CHEM ROD, ayudará a alcanzar el objetivo de la baja impedancia menor a 5 Ohms. En algunas ocasiones puede ser necesaria una impedancia menor a UN Ohm.

Si aún así, la carga crece sobre la tierra y bajo la nube de tormenta se disipa adecuadamente, entonces los relámpagos de rayo, simplemente no ocurren en el área. Existen varias Teorías Científicas avanzadas muy exactas explicando como se pueden prevenir los rayos dentro de un área protegida, incluyendo: carga eléctrica de tierra reducida, aumento de la carga espacio, neutralización de la carga estática, demora de la formación de la flámula (streamer), y una combinación de las cuatro. 

PRODUCTOS Y SOLUCIONES.

Lightning Eliminators & Consultants (LEC) diseña y fabrica dispositivos especiales que transfieren eficientemente las corrientes de tierra acumuladas, a la atmósfera (Carga Espacio) mediante la aplicación de la Tecnología de Transferencia de Carga (CTS), a la que llamamos Sistemas de Arreglo de Disipación (DAS).

La experiencia ha mostrado que el DAS es la solución con más de 45 000 sistemas-año acumulando una experiencia, con un 99.7 % de efectividad en su desempeño. Por lo tanto, LEC confía en ofrecer un 100% de seguridad en la prevención de rayos con la Certificación DAS de la Instalación. Con el 100% de garantía de prevención de rayos LEC quiere decir que si un rayo termina en el sistema DAS en un área protegida, LEC reparará, reemplazará, y/o mejorará el sistema sin costo para el Cliente.

El DAS está soportado con ingeniería para resistir las condiciones más severas en cualquier lugar, poder instalarse en muchas configuraciones de acuerdo con las características de las estructuras a proteger, las que incluyen:

1. Arreglos del Tipo Hemisferio (para torres, y muchas otras aplicaciones).
2. Arreglos en Anillo (para Tanques de almacenamiento de techo flotante).
3. Arreglo tipo Cónico (para Tanques de almacenamiento de techo fijo).
4. Arreglo tipo Parapeto (para Edificios de techo plano).
5. Arreglo tipo Paragón (para Edificios complejos y estructuras)
6. Arreglos Peak Roof y Flat Roof (para Edificios techo doble agua y estructuras).
7. Arreglos de Bajo Perfil con soportes U (para Edificios y estructuras con restricciones de peso y arquitectónicas).
8. Arreglo tipo Trapezoide (para torres de telecomunicaciones)
9. Arreglos de tipo especial:

1. Stack Arrays (para Chimeneas).
2. Radome Arrays (para Domos de Radar y Platos de Telecomunicaciones).
3. Helipad Arrays (para Helipuertos en Plataformas y Edificios).

Extensas pruebas de laboratorio y de campo han mostrado que los parámetros siguientes son absolutamente críticos para la habilidad (efectividad y eficiencia) y relación de la carga de disipación de tierra del área de un sitio:

1. “Separación de puntas”: longitud, forma, geometría de la punta, y espaciamiento de las puntas.
2. El número de puntas requerido (normalmente en el orden de miles) para cada estructura, o número total requerido para un área completa.
3. La selección/configuración de cada Arreglo en relación con la altura, la forma, la localización, la función de la estructura o estructuras que se van a proteger. 
4. La localización de los Arreglos en función del área completa a proteger.

Para el mejoramiento, aumento, y amplitud del área de prevención de rayos del DAS, también se recomienda la instalación de una variedad de tamaños, configuraciones, y grupos de Spline Ball Ionizers (SBI).

Para transferir eficientemente las cargas inducidas a tierra (disipar la carga inducida en la tierra, localmente a la velocidad que la tormenta la acumula, la carga de la nube y antes de que  la tormenta exceda el umbral de los 10 KV/m), es necesario un sistema de puesta a tierra de ultrabaja impedancia. El número adecuado y la distribución y espaciamiento de los electrodos del tipo CHEM ROD el nivel de impedancia menor a UN Ohm.

Pero que sucede con esos peligrosos efectos secundarios de los rayos que terminan cerca de una instalación protegida?. Todos los conductores que entran o salen de la instalación (incluyendo: líneas de energía eléctrica, líneas telefónicas, líneas de datos, y cables coaxiales) necesitan ser aislados para proteger al equipo eléctrico y electrónico más vulnerable. Para ello se usa una gran variedad de dispositivos para la protección de los Eventos Eléctricos Transitorios de Surge (TVSS), incluyendo los Preventores de Surge del tipo Sanwich Block para interceptar y drenar a tierra los voltajes y corrientes anómalos a través de los electrodos tipo CHEM ROD.

CONCLUSIONES:

Las soluciones con el sistema DAS de LEC se venden en los mercados y las industrias que pueden justificar económicamente la inversión. Generalmente son aquellas en las que se manejan procesos y materiales de muy alto riesgo, en las que la PRIORIDAD NUMERO UNO: ES LA SEGURIDAD. Se necesita considerar tres importantes factores para valorar el nivel de riesgo: la frecuencia de impactos directos de rayo (pérdidas probables), el valor potencial de las pérdidas (reparación o reposición de los bienes dañados, y por consecuencia los costos de las pérdidas, los daños, la interrupción de servicios, de tiempos de operación, etc.), y la inversión en lo necesario para continuar con una operación confiable en aquellos procesos críticos y de alto riesgo. Las Instalaciones localizadas en sitios con frecuentes tormentas eléctricas y productos y procesos de alto costo expuestos a riesgos relacionados con los rayos, o equipos (remotos o de difícil acceso) y operaciones críticas; están especialmente interesados en soluciones para prevenir los rayos.

LEC ha instalado y da mantenimiento a miles de Sistemas de Arreglo de Disipación (DAS) en todo el mundo, y tiene acumulado un record de más de 45 000 Años – Sistema con un 99.7 de eficiencia y desempeño histórico.