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:
- Consulta y servicios de ingeniería y diseño profesionales.
- 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:
- 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).
- 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).
- Aisladores, y en algunos casos ciertos productos aislantes, colectan y disipan estas cargas más lentamente.
- 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:
- Calor: incendios, daños estructurales debidos a la vaporización instantánea de la humedad contenida en las estructuras (ejemplos: explosiones del concreto y de los árboles)
- 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).
- Altos voltajes y altas corrientes de surge en los conductores de tierra en distancias cortas, y
- 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:
- Arreglos del Tipo Hemisferio (para torres, y muchas otras aplicaciones).
- Arreglos en Anillo (para Tanques de almacenamiento de techo flotante).
- Arreglo tipo Cónico (para Tanques de almacenamiento de techo fijo).
- Arreglo tipo Parapeto (para Edificios de techo plano).
- Arreglo tipo Paragón (para Edificios complejos y estructuras)
- Arreglos Peak Roof y Flat Roof (para Edificios techo doble agua y estructuras).
- Arreglos de Bajo Perfil con soportes U (para Edificios y estructuras con restricciones de peso y arquitectónicas).
- Arreglo tipo Trapezoide (para torres de telecomunicaciones)
- Arreglos de tipo especial:
- Stack Arrays (para Chimeneas).
- Radome Arrays (para Domos de Radar y Platos de Telecomunicaciones).
- 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:
- “Separación de puntas”: longitud, forma, geometría de la punta, y espaciamiento de las puntas.
- El número de puntas requerido (normalmente en el orden de miles) para cada estructura, o número total requerido para un área completa.
- 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.
- 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.