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.
- Fallas ocurridas cuando la energía del rayo líder excede la capacidad del ionizador del DAS que fué impactado.
- El ionizador del DAS siempre colectó (recibió) el rayo líder que alcanzó el área protegida.
- La corriente de ionización pico ha sido medida en niveles que exceden los 2 Kamps por menos de UN milisegundo.
- Las mediciones hechas en Tailandia registraron elevadas corrientes de ionización sin impactos directos de rayo.
- 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:
- Existe normalmente un límite en el Costo.
- Hay limitaciones Físicas (cargas de viento, el uso de área disponible).
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
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| 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. |
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| Figura 2 Corriente de Iones en función de un fuerte campo eléctrico ( Nivel 200 Puntas). |
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| Figura 3 Incremento en el campo eléctrico en función del avance del paso líder. |