Descarga eléctrica atmosférica (rayo)

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.

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.

Figura 2:  Zona de Impacto

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.

Figura 3:  Neutralización de la carga eléctrica (“Rayo”)

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).

Figura 4: Canal de Descarga del Rayo (EMP)

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	5 kA – 200 kA
di/dt	7.5 kA/µs a 500 kA/µs
Velocidad	1/3 velocidad de la luz
Longitud (altura de las nubes de tormenta)	3 – 5 km. Sobre la superficie

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.

Figura 5:  EMP de Corriente de Tierra

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).

Figura 6:  Pulsos Electrostáticos

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.

Figura 7:   Corrientes Transitorias de Tierra

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.