EXPLICACION DE LA TECNOLOGIA DE PROTECCION CONTRA DESCARGAS ELECTRICAS ATMOSFERICAS.
25. COLECTORES VERSUS PREVENTORES:
INTRODUCCION:
Cuando se habla de la “PROTECCION” contra “descargas eléctricas atmosféricas” (rayos), es muy común caer en el error y pensar que los diferentes tipos de solución conocidos para “tratar” los rayos son variaciones de la misma tecnología. Este no es necesariamente el caso – aunque el proceso puede ser para tratar el mismo fenómeno natural, el resultado es completamente diferente. Si bien, la varilla pararrayo es la forma más comúnmente conocida para la “protección” de las descargas eléctricas atmosféricas (rayos), existen actualmente un gran número de avances tecnológicos desde que Benjamín Franklin inventó la varilla pararrayos.
Además de la anticuada tecnología de la varilla pararrayo actualmente hay dos nuevas tecnologías que son el Sistema de Transferencia de Carga (CTS) / (DAS) Dissipation Array System y la Terminal Aérea o “Emisor de Flámula Temprana” (ESE). La realidad es que, aunque estos dos sistemas se usan para la “protección” de las descargas eléctricas atmosféricas (rayos), contrario a lo que la mayoría de la gente piensa, cada uno de los dos sistemas funciona en forma completamente diferente. El CTS/DAS es un Sistema PREVENTOR y elimina los rayos en el área PROTEGIDA, y el ESE es un Sistema COLECTOR y atrae los rayos igual que la varilla pararrayos, con el “RIESGO” del IMPACTO DIRECTO DEL RAYO y los EFECTOS SECUNDARIOS DEL MISMO en el área que se quiere PROTEGER. Un Sistema COLECTOR ESE, se basa en la misma tecnología de la “varilla pararrayo”, mientras que la tecnología del Sistema PREVENTOR (CTS/DAS) es completamente diferente.
La única similitud entre los TRES Sistemas: El Sistema PREVENTOR (CTS/DAS), y los DOS Sistemas COLECTORES (ESE Y VARILLA PARARRAYOS), funcionan con el mismo fenómeno científico conocido como “Punta de Descarga”.
Sin embargo, sus funciones difieren totalmente, el ESE y la VARILLA PARARRAYOS mueven el flujo de iones que generan hacia la atmósfera durante la tormenta, sin tener la capacidad suficiente para descargar el área a PROTEGER lo que da origen a una saturación de la VARlLLA PARARRAYOS que da como resultado el arco eléctrico entre la célula de tormenta (Nube Cúmulus Nimbus) y la “PUNTA”; mientras que el CTS/DAS es un Sistema Multi Puntas (calculadas) que tienen la capacidad para transferir mediante un proceso de disipación lenta hacia la atmósfera los iones generados por cientos o miles de puntas, sin llegar a la saturación.
Es muy importante entender la diferencia entre estas tecnologías. Por ejemplo, en algunas áreas no es indispensable prevenir las descargas eléctricas atmosféricas (rayos) en general, pero en cambio puede ser necesario proteger de impactos algún punto importante. Entonces es conveniente recordar que las varillas pararrayo y el Sistema ESE, atraen o colectan los rayos, y el Sistema CTS/DAS previene o elimina la posibilidad de que el rayo termine en el área protegida.
Que aprenderá Ud.:
- Como se forma la “descarga eléctrica atmosférica” (rayo) y cuáles son sus probables efectos negativos.
- La Historia de la PROTECCION contra las descargas eléctricas atmosféricas, que empieza con la “Varilla Pararrayos”.
- Las Tecnologías y los Tipos de Protección contra rayos, modernos, incluyendo el ESE y el CTS/DAS.
- La Principal Diferencia entre estas Tecnologías y por qué su importancia.
LA FORMACION Y EFECTOS DE LA DESCARGA ELECTRICA ATMOSFERICA (RAYO) DE NUBE A TIERRA.
La mejor forma de entender las diferentes Tecnologías y su aplicación a la PROTECCION CONTRA DESCARGAS ELECTRICAS ATMOSFERICAS, es fundamental; saber cómo se forma y el mecanismo de la “descarga eléctrica atmosférica”. Durante una tormenta, de manera natural se forman campos eléctricos que adquieren una gran fuerza en la atmósfera. A medida que la tormenta crece, se forman caminos de aire ionizado, conocidos como “pasos líder”, dirigidos hacia la tierra en forma escalonada. El campo eléctrico entre el paso líder y la tierra se intensifica a medida que el paso líder desciende, provocando una corriente de iones cargados con polaridad opuesta, desde la tierra (o desde Edificios, o árboles, o cualquier estructura, etc.) en grupos, formando múltiples “flámulas” (“streamers”) o pasos líder ascendentes hacia la atmósfera circundante. Cuando el “paso líder” descendente hace contacto con la “flámula” o el “paso líder” ascendente, se forma el “arco eléctrico” conocido como “descarga eléctrica atmosférica” o “canal del rayo”. Este fenómeno natural es impredecible, y no existe manera de saber dónde ocurrirá. Favor de observar la figura siguiente:
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| Figura 1 Formación y mecanismo del rayo.
La gran mayoría de la gente no se da cuenta de la frecuencia con que ocurren las descargas eléctricas atmosféricas (rayos). De acuerdo con el National Weather Service de los Estados Unidos de América, cada segundo ocurren 100 descargas eléctricas atmosféricas (rayos), alrededor del mundo1. Muchos de esos rayos no causan daño porque ocurren en sitios despoblados o donde el nivel de riesgo no existe, pero otros pueden causar daños catastróficos si el área que impactan es muy poblada o se trata de instalaciones donde se manejan productos explosivos o inflamables. Por ejemplo: En Kansas City en 2008, fue impactado por un rayo un tanque de almacenamiento de gasolina con 1.2 millones de galones, se incendió y las pérdidas fueron de $ 12 000 000.00 US. D. Cuando se incendia un tanque de almacenamiento de un producto inflamable no existe forma de apagarlo hasta que se consume todo el producto con la inevitable pérdida del tanque. Un incidente similar ocurrió en el Este de Malasya en un área de Tanques de almacenamiento de destilados de petróleo, las pérdidas fueron de $ 40 000 000.00 US. D.
El impacto directo de una descarga eléctrica (rayo), es solamente una parte del riesgo, los efectos secundarios del rayo o eventos eléctricos transitorios generados por el rayo pueden causar graves daños en grandes áreas alrededor del sitio impactado, sobre todo a los Equipos Eléctricos y Electrónicos dentro de esa área. Cuando esos “eventos eléctricos transitorios” se inducen en los circuitos eléctricos conductores, estructuras metálicas, o tuberías de productos. Los resultados pueden ser desde: salidas de operación de plantas de proceso por daños en los sistemas automatizados, grandes subestaciones eléctricas, incendios y explosiones, por mencionar solo algunos de los riesgos. Si bien muchas de las Instalaciones con alto nivel de riesgo pueden Asegurarse contra Daños ocasionados por Descargas Eléctricas Atmosféricas (rayos), con primas de pago muy altas, estas deben considerarse como parte de los costos de seguridad en cualquier inversión, ya sea para pagar el Seguro o para evaluarse con el costo de un Sistema de PROTECCION contra rayos.
Sin embargo, el efecto del impacto directo de las descargas eléctricas atmosféricas en las Industrias tales como las de Petróleo y Gas es de proporciones muy elevadas en la escala de las pérdidas. Los daños potenciales derivan no solo del impacto del rayo, tales como la pérdida del producto, y del tanque de almacenamiento como en el caso de los incidentes de Kansas City y de Malasya.
Estos ejemplos en donde el fuego consumió todo el producto, se destruyó el tanque, también estuvo fuera de operación la instalación, el costo de las nuevas instalaciones, los costos para controlar el fuego, limpiar el área, los daños por la contaminación del medio ambiente, las multas y penalizaciones del Gobierno, pero sobre todo el riesgo en que se puso a otras instalaciones resulta impredecible.
Como estos dos ejemplos se pueden mencionar otros en donde a causa de un rayo no solo los trabajadores de Exxon Mobil en Singapur tuvieron que evacuar las Instalaciones por lo menos un día a la semana, durante varios años antes de instalar un Sistema PREVENTOR de rayos con pérdidas de muchas horas-hombre y cientos de miles de dólares. También lo hacían los habitantes del pueblo cercano a las Instalaciones de EXXON, cada vez que se activaba la alarma de incendio, huyendo a zonas de seguridad. Los tiempos de operación perdidos, estimados en meses, registraron pérdidas en ganancias desde unos pocos cientos de miles hasta millones de dólares.
Los Ingenieros responsables de tomar las decisiones para implementar algún método de PROTECCION contra rayos en las Plantas Industriales deben considerar todos estos riesgos al hacer un Análisis de Costo – Beneficio que respalde una decisión adecuada. Desde siempre se ha considerado INDISPENSABLE, instalar un Sistema de PROTECCION contra descargas eléctricas atmosféricas (rayos) en cualquier instalación para preservar la seguridad del Personal que allí labora. En México lo establece la NOM-STPS – 0022 – 2008.
LA HISTORIA DE LA VARILLA PARARRAYOS Y LA PROTECCION CONTRA RAYOS EN SUS INICIOS.
La mayoría de la gente está más familiarizada con la forma “convencional” de “protección” contra descargas eléctricas atmosféricas por medio de la “varilla pararrayos” que se usa en el Sistema COLECTOR: que atrae al rayo hacia ella. Cuando Benjamín Franklin hizo por primera vez su experimento con las cargas eléctricas en los años 1 700’s usando un papalote, una llave, y una cuerda, El originalmente propuso que la “varilla pararrayos” podría reducir o eliminar el rayo disminuyendo el desequilibrio entre las nubes y la tierra2. Sin embargo, más tarde Franklin se dio cuenta de que la “varilla” de metal conductor, entonces funcionaba conduciendo con seguridad el rayo hacia la tierra. En otras palabras, la confusión inicial fue una consecuencia de PREVENCION VERSUS ATRACCION. Esto cambió lo que Benjamín Franklin pensaba, y la prevención podría ser una opción para la “protección” contra rayos; pero la tecnología de PREVENCION no estaba disponible hace 200 años.
Las “Varillas Pararrayos” no PREVIENEN los rayos, si en cambio, los COLECTAN. Las “Varillas Pararrayos” atraen el impacto de rayo y “conducen” la energía a la tierra física, desde el Edificio o la Estructura que están protegiendo. Las “Varillas Pararrayos” han sido usadas por más de 200 años, instaladas en las azoteas de los Edificios y conectadas eléctricamente a la tierra física, para poder canalizar las descargas eléctricas atmosféricas a un punto seguro.
No obstante, en los últimos 40 años, se han desarrollado nuevas tecnologías para la PROTECCION contra rayos incluyendo una que retoma el propósito de PREVENCION que Benjamín Franklin tuvo originalmente.
TECNOLOGIAS MODERNAS DE PROTECCION CONTRA RAYOS.
EMISOR DE FLAMULA TEMPRANA (EARLY STREAMER EMITTER (“ESE”).
Muy similares a la “Varilla Pararrayos” convencional, los Sistemas ESE son COLECTORES. Sin embargo, de acuerdo con sus fabricantes, están diseñados para desencadenar el inicio de la “flámula temprana” hacia la atmósfera, lo cual incrementa la eficiencia de la atracción de la descarga eléctrica atmosférica así como la forma de aumentar el rango de efectividad en la “protección” más allá de lo que las “Varillas Pararrayos”. Las terminales aéreas ESE pueden distinguirse de las “Varillas Pararrayos” comunes debido a la presencia de un pequeño objeto cerca de la punta, el desencadenamiento de una descarga anticipada, y a que ellos pueden ser geométricamente más complejos.
Este desencadenamiento de la descarga temprana incrementa la probabilidad para el inicio de una descarga de “Flámula” en o cerca de la punta de la varilla cuando un “Paso Líder” ionizado se acerca. Incrementando la posibilidad del encuentro de “Flámulas” y “Pasos Líder” es así como los Sistemas ESE sirven para mejorar los pararrayos COLECTORES. De acuerdo con el Instituto Nacional de Tecnología y Standards, es difícil juzgar el desempeño de los ESE: “Es casi imposible hacer informes significativos cualitativamente sobre el desempeño de los dispositivos ESE y las varillas Franklin convencionales. De hecho, información cuantitativa suficientemente confiable sobre el desempeño de las varillas convencionales, no existe”3.
SISTEMA DE TRANSFERENCIA DE CARGA (“CTS”).
A diferencia de los Sistemas “COLECTORES” de rayos, el “CTS” está específicamente diseñado para “PREVENIR” la terminación del impacto directo del rayo en un área específica a la cual se quiere “PROTEGER”. Este es el único Sistema con el cual los impactos de rayo son eficazmente disipados, mejor dicho eliminados. La Tecnología del CTS/DAS está basada en Principios Físicos y Matemáticos. Como lo anota el Ingeniero Donald Zipse del IEEE:
“Las pruebas de la efectividad de la “Varilla Pararrayos” y las evidencias que la soportan son solamente “anecdóticas y empíricas”. Sin embargo, la Tecnología CTS/DAS, está basada en Ecuaciones de Física, Electricidad y Matemáticas4.”
A fin de eliminar los impactos directos de rayo en un área específica, el CTS/DAS recoge la carga eléctrica inducida por la nube de tormenta sobre la superficie de la tierra en un área específica y la transfiere a la atmósfera en forma de iones a través del aire circundante, reduciendo así la fuerza del campo eléctrico dentro del área protegida. El resultado es una reducción de la diferencia de potencial eléctrico entre el Sitio y la nube de tormenta que disminuye la formación de una flámula ascendente. Al no haber conexión entre paso líder y flámula se elimina el rayo.
SISTEMA DE ARREGLO DE DISIPACION (“DAS”).
El Sistema DAS es un tipo de “PREVENTOR”, basado en la Tecnología CTS inventado y fabricado por la Cía. Lightning Eliminators & Consultants Inc. (LEC). Usando el CTS se tiene un “AREA PROTEGIDA”, un DAS puede aislar completamente de la terminación de los impactos directos de un rayo un área determinada, disipando a la atmósfera la carga inducida durante una tormenta dentro del área que se desea “PROTEGER”, reduciendo esa carga a niveles muy bajos en relación con el ambiente que le rodea. Cuando se reduce significativamente la densidad del campo eléctrico dentro del área “PROTEGIDA” se reduce la diferencia de potencial entre la nube de tormenta y el área protegida, en estas condiciones no se forman ni las “Flamulas” o “pasos líder ascendentes” ni los “pasos líder descendentes” eliminando la posibilidad de que se produzca el “canal del rayo” y su terminación dentro del área “PROTEGIDA”.
Un estudio realizado por LEC directamente en las Instalaciones de la Cía. TRI State, la medición de la densidad del “campo eléctrico” durante una tormenta, fue de 55% menor dentro del área protegida, en relación con el área circundante. Esta Compañía instaló el Sistema CTS/DAS en 1990, certificando y dando mantenimiento de acuerdo con un programa establecido anualmente. Reportando que desde que se instaló esta “PROTECCION” no han tenido ningún impacto de rayo dentro del área “PROTEGIDA”.
DIFERENCIAS ENTRE LAS TECNOLOGIAS DE PROTECCION CONTRA DESCARGAS ELECTRICAS ATMOSFERICAS (RAYOS).
Las “varillas pararrayos” convencionales y los ESE tienen en común que ambos atraen el rayo. Lo más discutible en las Terminales ESE es su efectividad. Una Terminal ESE está equipada con un dispositivo que se supone incrementa la probabilidad de iniciar la flámula ascendente para conectarse con el paso líder descendente. Incrementando esta probabilidad significa que la descarga eléctrica es más probable que impacte la Terminal ESE antes que a otros puntos no deseados.
Sin embargo, el CTS/DAS ofrece un enfoque completamente diferente al de esas tecnologías: la principal diferencia es que uno COLECTA versus el otro PREVIENE los impactos de rayo. El enfoque es esencialmente opuesto. Más que fortalecer la atracción entre la flámula y el líder, un CTS/DAS la elimina, previniendo así la formación de los impactos de rayo en el área protegida como una barrera a la atracción de ellos.
Esta diferencia fundamental es lo más importante para las industrias de alto riesgo como la petrolera y el gas, áreas de tanques de almacenamiento de productos destilados del petróleo, y plantas generadoras de energía de todos los tipos. Estas instalaciones por lo general manejan productos inflamables y otros materiales peligrosos donde usando Sistemas “COLECTORES” pueden aumentar el riesgo de incendios o tener daños en los Sistemas Electrónicos. Como Zipse puntualizó “Es aconsejable permitir el flujo de miles de amperes cerca de equipo electrónico sensible, especialmente cuando existen Sistemas de Transferencia de Carga que están disponibles en el mercado actualmente y pueden prevenir rayos en áreas “PROTEGIDAS”?”4. Sin embargo, también es verdad que para cualquier operación no se aceptan interrupciones por mínimas que sean. Un solo impacto de rayo, o evento eléctrico transitorio, podría significar volver a empezar el inicio de todo un proceso con pérdidas económicas por tiempo de operación fuera”. Pero utilizando PREVENCION más que ATRACCION, el Sistema CTS es la mejor opción para instalaciones donde una simple chispa podría ser catastrófica. El Sistema de Arreglo de Disipación (DAS) de LEC es la única solución disponible en el mercado para crear el área de “PROTECCION” segura en contra de los Impactos directos de Rayo.
REFERENCIAS:
1. Bechtold, W. (2005). Average Daily Global Lightning Strikes. Message posted to: http://www.newton.dep.anl.gov/askasci/wea00/wea00239.htm
2. Krider, E.P. (2006). Benjamín Franklin and Lightning Rods. Physics Today
3. Los Autores del Artículo citado son Representantes del “National Institute of Standards and Technology” y están basados en una comprensible bibliografía de “ESE lightning protection” preparada a solicitud del “National Fire Protection Research Foundation”. Van Brunt, R.J., Nelson, T., & Stricklet, K.L., (2000), Early Streamer Emission Lightning Protection Systems: An Overview, IEEE Electrical Insulation Magazine 16.1.
4. Zipse, D.W. (2001). Prevent Lightning Strikes with Charge Transfer Systems. Electrical Construction & Maintenance Magazine. Available at: http://ecmweb.com/power-quality-archive/prevent-lightning-strikes-charge-transfer-systems.
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