Protección contra descargas eléctricas atmosféricas

4. PROTECCIÓN CONTRA DESCARGAS ELECTRICAS ATMOSFERICAS

Con el uso generalizado de los Equipos Electrónicos en los Sistemas Automatizados, no solamente en la Industria en General (Producción de Bienes y Servicios, Generación Transmisión y Distribución de Energía Eléctrica, Petroquímica, Refinación, Telecomunicaciones, etc. etc.), y en los Servicios Domésticos; se ha hecho indispensable la PROTECCIÓN contra los Impactos Directos de las Descargas Eléctricas Atmosféricas (Rayos) y los Efectos Secundarios derivados de las mismas en puntos o Áreas Específicas, 

Hace más de 40 años existe en el Mercado un Sistema de PROTECCIÓN contra Descargas Eléctricas Atmosféricas basado en un Principio de Electrostática descubierto a fines del siglo XIX y que se conoce como el Principio de la Punta de Descarga que se describe de la manera siguiente: “Cuando se encuentra una punta o una estructura terminada en punta, inmersa en un Campo Eléctrico, esa punta empezará a ionizar las moléculas del aire a su alrededor a medida que ese campo eléctrico crece”. Basado en este Principio se ha desarrollado durante los últimos 40 años ese Sistema de Protección de tal forma que actualmente no se puede pensar en Fallas de PROTECCIÓN contra Rayos. La Infraestructura Tecnológica actual adecuadamente aplicada garantiza esa PROTECCIÓN, como lo garantiza un Programa Espacial para Instalar una Plataforma o Laboratorio en el Espacio o enviar un Hombre a la Luna.

Desafortunadamente lo que no se puede Garantizar es la aplicación correcta de los Avances Tecnológicos y lo que es peor ni siquiera la aplicación correcta de un CONCEPTO. Por ejemplo analicemos el concepto PROTECCIÓN. En su definición más genérica debe entenderse como: ELIMINAR RIESGOS.

Una Descarga Eléctrica Atmosférica o Rayo es un Riesgo y si tratamos de PROTEGER un área específica contra los Rayos, lo indicado es eliminarlos, NO ATRAERLOS.

Para poder eliminar un Riesgo, primero debemos conocer cual es ese riesgo, descubrir  su esencia, su funcionamiento y después seguir una estrategia para eliminarlo. Si el riesgo es un Rayo, debemos por tanto estar ciertos de que un Rayo es UN ARCO ELECTRICO. Sabemos que un arco eléctrico se produce cuando se rompe o vulnera la resistencia eléctrica del aire entre dos polos de un sistema eléctrico. Entre esos dos Polos existe un campo eléctrico, con la variación de la densidad de ese campo eléctrico la diferencia de potencial puede llegar a crecer lo suficiente para romper el dieléctrico del aire y producir el ARCO ELECTRICO.

En la naturaleza, una descarga eléctrica se da entre grandes concentraciones de Carga Eléctrica de diferente polaridad. Puede ser entre: NUBE Y NUBE (90%), NUBE Y TIERRA (7 %) y entre TIERRA Y NUBE (3%). Analizando las descargas eléctricas entre NUBE y  TIERRA y  las de TIERRA a NUBE, se ha podido observar que la gran mayoría de ellas se genera en estructuras u objetos puntiagudos que están conectados de manera firme a la Tierra Física y que además tienen características de conductividad eléctrica, buena o regular dependiendo del material que las conforme, siendo mejores conductores los metales.

De estas observaciones pudo Benjamín Franklin en 1752 INVENTAR su Punta Pararrayos. Al descubrir que las nubes estaban cargadas de electricidad negativa ( - ) en la base y electricidad positiva (+ ) en el tope, emitió su Teoría de las cargas eléctricas POSITIVA y NEGATIVA. Sin embargo fue hasta 1827 (75 años después) cuando el Físico Alemán George Simon Ohm DESCUBRIO la RESISTENCIA ELECTRICA de los materiales, lo que le permitió deducir la LEY de OHM que relaciona los Parámetros eléctricos: Voltaje, Corriente y Resistencia (V=IR).

A partir de ese momento se pudo manejar la Electricidad e ir Descubriendo y Registrando en Leyes y Principios los efectos y el comportamiento de este fenómeno Físico.

Surge así lo que se conoce como Principio de la Punta de Descarga enunciada como sigue: “toda punta o estructura puntiaguda inmersa en un campo eléctrico empezará a ionizar las moléculas de aire a su alrededor a medida que se incrementa la densidad de ese campo eléctrico” y en la que se menciona el fenómeno de la IONIZACION. Favor de leer con detenimiento el Blog # 1 para entender el fenómeno IONIZACION.

Al presentarse este Fenómeno Físico de IONIZACION aparecerá en las “puntas” inmersas en un campo eléctrico una corriente de ionización que irá en aumento con el crecimiento de la densidad de ese campo eléctrico hasta saturar la capacidad de la punta y generar las condiciones propicias para la ruptura del dieléctrico del aire entre la Célula de Tormenta (Nube de Tormenta) y la Punta conectada a la Tierra Física; generando el arco eléctrico. Ver lámina adjunta con los diferentes modos de Ionización.

Fases de la descarga de punta.

De acuerdo con la Curva de ionización, entre 0 y 10 Kv./m., de elevación de la densidad del campo eléctrico no se aprecia prácticamente ninguna corriente de ionización, entre 10 y 50 Kv./m., la corriente de ionización aparece en el modo conocido como Incandescente o Corona y después de los 50 Kv./m., aparece un modo de ionización conocido como Canalizador en el que aparece la corriente de ionización (+) en forma de flámulas o streamers ascendentes. En este mismo momento, aparece una corriente negativa ( - ) descendente de la nube hacia abajo, llamada “paso líder” o relámpago, debido a la densidad del campo eléctrico y a la acelerada ionización, este paso líder desciende rápidamente hasta alcanzar a las flámulas ascendentes cerrando el circuito eléctrico o canal de descarga del rayo formando el arco eléctrico lo que ocurre a diferencias de potencial de 10⁸  Volts o más. Se ha medido la corriente eléctrica en el canal de descarga del rayo la cual varía de 200 a 500 KA. La duración promedio de un rayo es del orden de los 26 μs.

Siempre que fluye una corriente eléctrica a través de un conductor o semiconductor, se forma a su alrededor un campo electromagnético y este es directamente proporcional a la corriente que fluye. Debido a la rápida interrupción de la corriente eléctrica del rayo y a la rápida variación de la densidad del campo eléctrico se generan “pulsos electromagnéticos” (EMP) y “pulsos electrostáticos”  (ESP) los cuales se difunden en el área de influencia del rayo abarcando grandes áreas. Estos  EMP y  ESP, se inducen en todos los materiales conductores y no conductores en el área de influencia del rayo creando grandes sobrevoltajes. (Efectos Secundarios).

Los Efectos Secundarios de un Rayo entre otros son:

Voltajes Transitorios de Surge.

Corrientes Circulantes de Tierra.

Pulsos Electromagnéticos y

Pulsos Electrostáticos.

El Impacto directo del rayo y los Efectos Secundarios derivados de este representan un Alto Riesgo para cualquier instalación, razón por la cual se debe establecer un Sistema de PROTECCIÓN  contra rayos que elimine todos estos Riesgos. 

ACTUALMENTE SE CONOCEN DOS SISTEMAS PARA TRATAR LAS DESCARGAS ELECTRICAS ATMOSFERICAS:

EL SISTEMA COLECTOR y

EL SISTEMA DE TRANSFERENCIA DE CARGA  o DAS / CTS

(DISSIPATION ARRAY  SYSTEM)/(CHARGE TRANSFER SYSTEM)

EL SISTEMA COLECTOR está formado por Varillas o Puntas Pararrayos (“Franklin”), con variantes como son los Pararrayos Dipolo, Pararrayos Ionizantes (todas las puntas son ionizantes si están inmersas en un campo eléctrico), etc. etc. Sistemas formados con este Tipo de Pararrayos tienen una alta eficiencia para ATRAER las descargas eléctricas atmosféricas, es decir, son muy efectivos. El problema es como se desvían o conducen a tierra 500 KA que fluyen en el canal de descarga del rayo. Más aún cuando se ha descubierto que las frecuencias de las corrientes de un rayo varían entre 10 KHz y 250 MHz., y por tanto durante este fenómeno se presenta el “Efecto Skin”. 

EL SISTEMA DE TRANSFERENCIA DE CARGA (CTS) o DAS (DISSIPATION ARRAY SYSTEM), es un Sistema Diseñado y calculado para TRANSFERIR a la Atmósfera, basado en el Principio de la Punta de Descarga, la carga eléctrica inducida por una nube de tormenta en el Área que deseamos PROTEGER, descargando eléctricamente esa área y por tanto sin una diferencia de potencial entre la célula de tormenta (nube de tormenta) y la tierra, el resultado es que nunca se generara un arco eléctrico, en este caso no habrá Rayo.

Al TRANSFERIR  la carga eléctrica del área PROTEGIDA a la atmósfera, se creará una “carga espacio” o “plasma de Iones” (+) sobre el área PROTEGIDA, el aire y la densidad y peso específico de los iones (+), los hará ascender hasta encontrarse y neutralizarse con los iones ( - ) de la base de la nube de tormenta. La carga espacio o plasma de iones forma además un blindaje temporal entre la nube de tormenta y el área protegida.

Es muy importante hacer notar que la carga espacio o plasma de iones ( + ) no tiene temperatura por lo que no se puede pensar en un punto de riesgo para incendios o explosiones. 

Cualquiera de los DOS Sistemas mencionados, el Sistema Colector o el Sistema de Transferencia de Carga (CTS)  o Disipador requieren de un SISTEMA de TIERRA  de Muy Baja Impedancia para poder funcionar con efectividad. El Sistema Colector no requiere de un Circuito o Red de Tierras específico,  a diferencia del Sistema de Transferencia de Carga que requiere de un Circuito Colector de Corrientes de Tierra que debe instalarse en el Perímetro del área PROTEGIDA y que marcará el alcance de PROTECCIÓN del área. Además deberá estar interconectado con cada uno de los elementos del Sistema Disipador.

Generalmente a un área PROTEGIDA accesan líneas de alimentación de energía eléctrica o líneas telefónicas, las que pueden estar expuestas a Descargas Eléctricas Atmosféricas directas o bien en el área de influencia de estas con la consecuente inducción en las líneas, de los Efectos Secundarios producidos por un Rayo fuera del área PROTEGIDA. 

Los Pulsos Electromagnéticos también son Efectos Secundarios derivados de los rayos y estos viajan en la atmósfera en el área de influencia de una descarga eléctrica atmosférica. Razón por la cual se recomienda PROTEGER las líneas eléctricas de las señales de instrumentos, en ambos extremos, con Protectores de Línea de Datos (DLP).

De acuerdo con lo anterior se puede ver que la diferencia entre los dos Sistemas es el número de puntas usadas para disipar la carga eléctrica inducida en la tierra por la Célula de Tormenta (Nube). En el Sistema Colector, las puntas instaladas se saturan rápidamente llegando al modo de disipación canalizador, mientras que en el Sistema de Transferencia de Carga o DAS, se calcula el número de puntas de disipación necesarias para descargar eléctricamente el área PROTEGIDA, considerando todos los parámetros que intervienen, como son: Densidad del Campo Eléctrico, Nivel Isokeraunico en el área a PROTEGER, tipos de estructuras dentro del área, dimensiones del área, características geográficas del área, características geológicas del área, tipo de estructuras alrededor del área, etc., etc.

El número de puntas de disipación calculadas se distribuyen en toda el área por medio de diferentes configuraciones de disipadores las cuales pueden ser: Arreglos Tipo Hemisferio, Arreglos Tipo Paragón, Arreglos Tipo Trapezoide, Arreglos Tipo Parapeto, Spline Ball Ionizers (SBI), Spline Ball Terminal (SBT), etc.; todo esto con el fin de garantizar la descarga eléctrica hacia la atmósfera circundante, del área a PROTEGER.

Se ha remarcado el Concepto de PROTECCIÓN con el fin de señalar que en el caso de la Instalación de un Sistema de Transferencia de Carga o DAS se está eliminando el riesgo de un Impacto Directo de Rayo en el área PROTEGIDA  y con ello el riesgo de los Efectos Secundarios derivados del Rayo.

Concepto del sistema de arreglo de disipación (DAS/CTS).

CONCLUSIONES:

1. Ambos Sistemas cuentan con recomendaciones prácticas de NORMAS.

2. El SISTEMA DE TRANSFERENCIA DE CARGA o DAS cuenta con pruebas de Laboratorio como: UL (UNDERWRITERS LABORATORIES), HITACHI TECHNO ENGINEERING Co. LTA., WESTINGHOUSE ENGINEERING & PROJECTS DIVISIÓN, ETC.

3. El SISTEMA DE TRANSFERENCIA DE CARGA o DAS incluye el Equipo TVSS (Transient Voltage Surge Supressors) para eliminar los Eventos Eléctricos Transitorios o Efectos Secundarios derivados de los Rayos que terminan fuera del área PROTEGIDA.

4. El SISTEMA DE TRANSFERENCIA DE CARGA o DAS, cuenta con una CERTIFICACIÓN DE FUNCIONALIDAD.