Ud. está en: Contenidos > Seguridad y Medicina> Prevencin de riesgo elctrico> Proteccin de edificios y estructuras de las descargas elctricas atmosfricas. Parte 1

Proteccin de edificios y estructuras de las descargas elctricas atmosfricas. Parte 1

Fecha de Publicación: 16/1/2015


Introduccin

En 1752, hace 250 aos, Benjamn Franklin invent el primer sistema de proteccin contra descargas elctricas atmosfricas consistente en "una varilla metlica ubicada verticalmente en el exterior en un punto elevado, una varilla metlica hincada en tierra, y un conductor de conexin entre ambas". Franklin haba percibido que de esa manera las descargas atmosfricas incidan en la varilla elevada, siguiendo el camino de menor resistencia hacia tierra, y de esa manera se reduca la posibilidad de ocasionar daos en otros elementos circundantes. Dicho diseo aun sigue vigente en la actualidad.

Desde Franklin hasta nuestros das mucha ha sido la investigacin realizada para intentar reducir las prdidas ocasionadas por los rayos. Dichas prdidas son muy importantes por lo que, despierta un gran inters cualquier diseo que permita reducirlas.


Prdidas ocasionadas por las descargas elctricas de origen atmosfrico

Las compaas de seguros han identificado a las descargas elctricas atmosfricas como responsables de alrededor del 5 % del total de los montos pagados. Por otra parte, las empresas elctricas atribuyen a los rayos, el 30 % de las interrupciones de suministro.

En Estados Unidos las descargas elctricas atmosfricas son responsables de cientos o miles de millones de dlares de prdidas anuales. Por otra parte los rayos tambin causan incendios y desgracias personales por electrocucin. El Servicio Meteorolgico de Estados Unidos (National Weather Service) registr que, entre 1959 y 1994, los rayos causaron la muerte de 3.239 personas y provocaron lesiones a otras 9.818. Cada da se producen en todo el mundo alrededor de unas 2000 tormentas elctricas que en cada segundo producen de 30 a 100 descargas atmosfricas de nubes a tierra, o sea alrededor de 5 millones en un da, lo cual indica que en cada instante hay muchas propiedades y personas amenazadas por el riesgo elctrico de origen atmosfrico.


Los niveles de proteccin

Puesto que es imposible evitar que se produzcan las descargas elctricas de origen atmosfrico entre nubes y tierra, las normas de seguridad se refieren a los procedimientos para proteger bienes y personas de su inevitable incidencia.
Existen tres niveles de proteccin. El primero, al cual nos referimos en este artculo, consiste en establecer un camino directo a tierra para la corriente de descarga. Esta atraccin o preferencia de que la descarga se produzca a travs de un sistema de proteccin, evita que la misma incida directamente en otros puntos en los cuales podra ocasionar daos materiales o la electrocucin de personas.

El segundo nivel de proteccin consiste en minimizar los efectos indirectos que puede causar una descarga elctrica atmosfrica mediante un adecuado diseo del recorrido de los elementos conductores que provienen del exterior, y que por lo tanto podran captar, por fenmenos de induccin, parte de la energa disipada por una descarga. Estas medidas se complementan mediante la equipotencializacin de elementos conductores y mediante blindajes adecuados.
Establecidas las dos barreras antes mencionadas, aun es posible que los pulsos inducidos por una descarga atmosfrica, lleguen a travs de los cables de suministro de energa elctrica o por los conductores que traen las seales de comunicaciones telefnicas o de radio desde el exterior, y ocasionen daos a equipos o personas. El tercer nivel de proteccin consiste en instalar filtros o dispositivos descargadores en las entradas o salidas de informacin y/o energa de los equipos. Estos dispositivos, que absorben el exceso de energa proveniente de la perturbacin, pueden ser parte de la instalacin general (protectores primarios), o integrar cada equipo individual.

En lo sucesivo nos referiremos a los sistemas de proteccin destinados a constituir el primer nivel de proteccin de una estructura.

Carga elctrica de la tierra

La tierra est cargada negativamente con una carga de alrededor de 1 milln de culombios, y una carga igual y positiva reside en la atmsfera. La resistividad de la atmsfera es variable con la altura decreciendo a medida que esta aumenta, pero a partir de una altura de aproximadamente 50 km la resistividad se vuelve ms o menos constante. Esta regin se conoce con el nombre de electrsfera. Existe una diferencia de potencial de aproximadamente 300.000 voltios entre la superficie de la tierra y la electrsfera lo cual da un campo elctrico promedio de 6 voltios por metro. Cerca de la superficie de la tierra en un da de buen tiempo el campo elctrico es de unos 100 voltios por metro. Debido a que la atmsfera no es un aislador perfecto, hay una pequea corriente entre la tierra y la electrsfera. Las cargas elctricas negativas emergen de la tierra y suben hacia la electrsfera. Dicha corriente es de unos 2000 amperios. Con dicha intensidad de corriente, si la tierra no se volviera a cargar negativamente, disipara toda su carga en menos de una hora.

Pero las descargas elctricas atmosfricas que se producen durante las tormentas, recargan la tierra restituyendo su carga negativa. No siempre las descargas atmosfricas aportan cargas negativas a tierra pues algunas de ellas son positivas, vale decir que las cargas negativas van desde la tierra hacia las nubes. Pero por cada descarga positiva se producen 9 negativas, por lo que en un saldo final, las tormentas acaban por recargar negativamente a la tierra.

Caractersticas de las descargas elctricas atmosfricas

Si bien las teoras sobre la forma en que se generan las cargas en una nube de tormenta son muy especulativas, en cambio, las caractersticas elctricas de las descargas que la acumulacin de dichas cargas produce, son bastante bien conocidas debido a las investigaciones realizadas por cientficos a lo largo de muchos aos.

Las descargas elctricas de origen atmosfrico se producen de 4 diferentes maneras:
a. dentro de una misma nube
b. de una nube a otra
c. de una nube al aire circundante
d. de una nube a tierra

Las tres primeras maneras de producirse las descargas tienen poca influencia sobre la superficie de la tierra, aunque si son una fuerte de preocupacin para la aviacin, pues se estima que un avin comercial recibe en promedio una descarga elctrica de origen atmosfrico por ao.

Las descargas de nube a tierra son las que normalmente nos preocupan por sus efectos destructivos. Son sus caractersticas las que consideraremos a continuacin.

Cuando las cargas negativas acumuladas en la parte inferior de una nube adquieren tal concentracin que el campo elctrico toma valores del orden de 3 o 4 kV por cm, comienza a producirse un proceso de ruptura dielctrica del aire. Dicho proceso se produce en forma intermitente y escalonada. Cada escaln se va produciendo a continuacin del anterior y va desarrollando una trayectoria ramificada de escasa luminosidad, que va descendiendo hacia tierra. La longitud tpica de un escaln es de unos 50 metros, y el lapso entre escalones sucesivos es del orden de los 50 microsegundos. Esta descarga se denomina trazador escalonado. Cuando la punta del trazador escalonado se acerca a la superficie de la tierra, su elevado campo elctrico es suficiente para que desde determinados puntos de la tierra o desde edificios o estructuras, se produzca un proceso de ruptura dielctrica del aire, similar a la del trazador escalonado, pero en sentido ascendente. Dichas descargas corona son conocidas como trazador ascendente o fuego de San Elmo, elevndose hasta alturas de 10 a 50 metros.

Cuando las puntas del trazador escalonado y el trazador ascendente se acercan lo suficiente como para ocasionar la ruptura dielctrica del aire entre ellas, se unen los dos caminos ionizados, y se completa un camino conductor entre la nube y la tierra, producindose la primera descarga de retorno. Se denomina descarga de retorno pues su sentido de propagacin es ascendente, vale decir contrario al sentido del trazador escalonado que, como vimos, es descendente. La descarga de retorno es muy luminosa, de aspecto ramificado y muy intensa, con corrientes del orden de decenas de miles de amperios. El frente de onda se propaga a una velocidad del orden de 1/10 de la velocidad de la luz. La longitud tpica del canal es de 5 km (min. 2 y max. 14 km), y la duracin del recorrido desde tierra hasta la nube es del orden de 70 microsegundos.

La intensa luminosidad de la descarga es acompaada eventualmente de intensas ondas sonoras denominadas trueno, provocadas por la expansin supersnica del aire que rodea al canal de la descarga elctrica,
Despus de la primera descarga de retorno, el fenmeno puede finalizar sin otras descargas, pero generalmente ello no es as. En efecto lo ms comn son los rayos de mltiples descargas. Tpicamente un rayo puede estar formado por 3 o 4 descargas de retorno, pero se han llegado a registrar rayos con hasta 26 descargas.

El proceso de produccin de las descargas sucesivas es el siguiente. Despus de la primera descarga de retorno, se produce una predescarga descendente de nube a tierra, que se denomina trazador tipo dardo, llamado as pues es una descarga luminosa que avanza en forma continua, como un dardo luminoso de unos 50 metros de largo, sin ramificaciones, que se desplaza por el canal por el cual se produjo la descarga de retorno precedente. El trazador tipo dardo deposita cargas a lo largo del canal de descarga previo, preparando las condiciones para que se produzca una segunda descarga de retorno, en la cual se drenan cargas adicionas disponibles en zonas ms altas de la nube.

Despus de la segunda descarga de retorno, puede volver a repetirse varias veces el mismo proceso en que un trazador tipo dardo precede a una nueva descarga de retorno.

Cuando no quedan ya suficientes cargas en la nube para alimentar las descargas de retorno, estas cesan.

La descripcin precedente deja bien claro que el rayo es un proceso que comienza con la ionizacin progresiva del aire entre la nube y tierra, lo cual va formando un canal conductor que una vez completado da lugar a la descarga intensa del rayo. Por lo tanto debe desecharse la errnea idea de que se trata de una brusca descarga disruptiva del aire entre la nube y tierra, como si se tratase de un gigantesco condensador en el cual sbitamente se produce la ruptura dielctrica del aire descargando la carga de la nube a tierra. En efecto, sabido es que el campo elctrico que provoca la tensin disruptiva del aire seco a la presin atmosfrica es

E = 3 x 106 V / m

a una presin menor como a la altura de la nube, el valor puede ser 2 veces menor, y en presencia de gotas de agua 3 veces menor. Redondeando, asumiremos para el campo disruptivo un valor medio igual a

E = 10 6 V / m

Si un rayo produjera sbitamente la ruptura dielctrica del aire entre nube y tierra, atravesando una distancia de por ejemplo 10 kilmetros, el voltaje que se requerira para ello sera de

V = E x d = 10 6 V/m x 10 4 m = 10 10 Voltios

Sin embargo los valores medidos en la prctica nunca llegan a esos valores, siendo del orden de 2 x 108 Voltios.
El mecanismo real de lo que ocurre en una descarga es que, las cargas de la nube crean localmente zonas con valores de campo del orden de 106 V/m que producen la ruptura dielctrica del aire, y de esa manera, se va construyendo gradualmente un canal ionizado que cuando llega a tierra produce la descarga de retorno.
Corrientes elctricas descargadas por un rayo Las corrientes que circulan durante las sucesivas descargas de retorno de un rayo, son muy intensas, tienen muy corta duracin y su forma de onda muestra inicialmente un crecimiento muy empinado hasta alcanzar su pico mximo, seguido de un decrecimiento ms lento. Las descargas atmosfricas son un evento estadstico, por lo tanto los valores de las magnitudes que las caracterizan estn siempre asociados a una probabilidad de ocurrencia. En los rayos con mltiples descargas, la primera es la que drena la mayor corriente, siendo las siguientes de menor intensidad.
De acuerdo con la distribucin de frecuencias de las corrientes de pico de las descargas elctricas atmosfricas realizadas por distintos investigadores, la primera descarga de retorno tiene las siguientes caractersticas:
el 2 % tiene un pico de mas de 140 kA
el 10 % tiene un pico de ms de 65 kA
el 50 % tiene un pico de ms de 18 kA
el 90 % tiene un pico de ms de 6,2 kA
el 98 % tiene un pico de ms de 3,1 kA
Las descargas siguientes tienen un pico de aproximadamente la mitad de los valores de la primera.
El pulso de corriente de una descarga tiene un rpido crecimiento inicial y en un tiempo del orden de unos pocos microsegundos llega a su mximo. Luego comienza a decrecer, y en unos 120 microsegundos transcurridos desde su inicio, la descarga cesa.
Si bien la energa disipada no es mucha, la potencia desarrollada en una descarga elctrica atmosfrica es muy grande, pues su elevada corriente se libera en muy corto tiempo. Tambin las sobretensiones que aparecen en los cuerpos alcanzados por una descarga son elevadsimas pues aunque slo se interpongan en su camino impedancias muy bajas, las elevadas corrientes del orden de los kA, producen cadas de tensin del orden de decenas o centenares de kV.

Modelos para estimar la zona de proteccin


Un punto colocado a una cierta elevacin y conectado a tierra a travs de una baja impedancia, al atraer hacia si las descargas atmosfricas genera una zona de proteccin evitando que dentro de la misma las descargas incidan en otros elementos circundantes.

Tiempo atrs se utilizaba el modelo del cono de proteccin, pero actualmente ha sido sustituido por el modelo de la esfera rodante que tiene una mayor fundamentacin cientfica.

El modelo del cono de proteccin

El criterio del cono de proteccin consiste en admitir que la punta de un pararrayos crea una zona de proteccin de forma cnica, cuyo eje es el prarrayos, su vrtice la punta del pararrayos con un ngulo al centro a , que se asume igual a 45 para estructuras comunes y de 30 para estructuras de riesgo.
Para a = 45 el rea circular protegida al nivel del terreno tiene un radio R igual a la altura h de la punta del pararrayos. Para a = 30 el radio es igual a 0,58 multiplicado por la altura.

El modelo de la esfera rodante

El punto exacto donde cae un rayo recin se define con el ltimo escaln del trazador escalonado, y en esa definicin es decisiva la longitud del ltimo escaln. .
Por otra parte, la longitud del ltimo escaln del trazador escalonado ha sido medida mediante mtodos fotogrficos, y se ha podido establecer que existe una correlacin entre dicha longitud y la carga contenida en el canal de descarga. Como dicha carga, a su vez, est relacionada con la corriente descargada por el rayo, se tiene finalmente una relacin entre la longitud del ltimo escaln del trazador escalonado, y la corriente descargada por el rayo. Como ambos valores (la longitud del ltimo escaln y la corriente de descarga del rayo), pueden ser medidos, se ha podido establecer una frmula que relaciona a a ambos. La expresin general de dicha frmula es la siguiente:

RSD = K . I a

en la cual RSD es la longitud del ltimo escaln, denominada tambin distancia de descarga (striking distance)
K es una constante
I es la corriente de descarga
a es otra constante

Quiere decir que, del extremo del penltimo paso del trazador escalonado, la descarga puede caer en cualquier punto de una esfera de radio RSD . Por lo tanto la descarga se producir en alguno de los puntos en que dicha esfera toque a la tierra o a una torre, mstil o conductor conectado a tierra.
Si se expresa RSD en metros e I en kA los valores de K y a, segn lo determinado por distintos investigadores estn comprendidos entre los siguientes lmites:

3,3 < K < 10,6
0,51 < a < 0,85

En las Referencias 2 y 6 se menciona la frmula debida a Golde, quien en 1977 hall los siguientes valores de las constantes: K = 10 y a = 0,65
de donde resulta la siguiente expresin:

RSD = 10 . I 0,65

en la que RSD se expresa en metros e I en kA.
Consideremos por ejemplo un rayo con una descarga de retorno de 10 kA. Para dicho rayo la distancia de descarga vale

RSD = 10 . 10 0,65 = 45 metros

Por otra parte, la siguiente frmula de la Conferencia Internacional de Grandes Sistemas Elctricos de Alta Tensin (CIGRE), nos permite calcular mediante la siguiente frmula la cantidad de rayos cuya descarga excede una determinada corriente:

Seguridad e higiene

en la cual P es la probabilidad expresada en tanto por uno que un rayo produzca un descarga mayor a I
I es la corriente de descarga del rayo expresada en kA
Si en la frmula anterior hacemos I = 10 kA obtenemos un valor de P = 0,96 lo cual significa que existe un 96 % de probabilidades de que un rayo produzca una descarga de ms de 10 kA. Consecuentemente, existe un 96 % de probabilidades de que un rayo tenga una distancia de descarga de 45 ms metros.
Por lo tanto podemos considerar, con un 96 % de probabilidad que los fenmenos de descargas elctricas atmosfricas podrn hacer impacto en aquellos puntos en los cuales una esfera rodante de 45 o ms metros de radio toca a la tierra a un conductor, mstil, torre o cualquier parte de una estructura elevada sobre el nivel del piso. Para determinar dichos puntos hacemos rodar una esfera de 45 m de radio en todos sentidos apoyndose sobre tierra y sobre las estructuras cuya seguridad se quiere estudiar. Los espacios seguros son los que quedan verticalmente por debajo de la esfera rodante.
Puesto que a mayores radios de la esfera corresponden mayores zonas de seguridad, al considerar solamente la esfera de 45 m de radio incrementamos la seguridad que proporciona la aplicacin del modelo.

Partes que integran un sistema de proteccin

Un sistema de proteccin est integrado por las siguientes partes:
a. los dispositivos terminales para la intercepcin de las descargas y los los conductores de interconexin entre ellos b. los conductores de bajada que conectan los dispositivos terminales con los electrodos de puesta a tierra
c. los electrodos de puesta a tierra que ponen en contacto el sistema de proteccin con la tierra

Los dispositivos terminales

Los dispositivos terminales para la intercepcin de las descargas (Strike termination devices), son los componentes del sistema destinados a interceptar las descargas a los efectos de permitir su conduccin a tierra a travs de conductores apropiados. Los dispositivos terminales incluyen: terminales areos, mstiles metlicos, cables areos tendidos entre mstiles de soporte, partes metlicas estructurales del edificio, y dispositivos terminales especiales.
De las partes que constituyen un sistema de proteccin contra descargas elctricas de origen atmosfrico, el que ms controversias provoca es el dispositivo terminal para la intercepcin de descargas, principalmente debido a que muchos fabricantes ofrecen diseos especiales a los cuales les atribuyen propiedades que acrecientan la proteccin que puede brindar un simple pararrayos Franklin.
Veremos a continuacin los distintos tipos de terminales para interceptar las descargas elctricas de origen atmosfrico.

Terminales areos

Un terminal areo (en ingls air terminal o lightning rod) es una punta metlica fabricada con un cao o una varilla maciza. La Norma NFPA 780 especifica la utilizacin de terminales areos distribuidos en los techos de los edificios, en cantidad y ubicacin que la norma indica. En general un terminal areo es una punta, normalmente de baja altura, que sobresale no menos de 10 pulgadas (25 cm) por encima del rea u objeto a proteger.

Mstiles

Un mstil metlico terminado en punta, es un dispositivo terminal cuya altura se determina a los efectos de crear una zona de seguridad de extensin suficiente para lograr una proteccin adecuada de la estructura. Tanto los terminales areos como los mstiles terminados en punta son dispositivos similares al pararrayos propuesto por Franklin

Cables areos tendidos entre mstiles

Un cable areo tendido entre mstiles, es un dispositivo terminal que en lugar de un punto, ofrece una lnea para la intercepcin de las descargas atmosfricas, y crea una zona de proteccin ms extensa que la de una punta simple. Este dispositivo es extensamente usado por las empresas que suministran energa elctrica, en sus estaciones y subestaciones de transformacin exteriores y lneas de trasmisin.
Tambin son utilizados para proteger estructuras que contienen inflamables o explosivos.


Por: Ing. Ind. Carlos Mrtony