Pararrayos CTS Y CEC.

(Parte 2)

Cómo funciona la nueva tecnología de pararrayos CTS:

Características básicas

Los Pararrayos Desionizadores de Carga Electroestática incorporan un sistema de transferencia de carga (CTS). Se caracteriza por facilitar la transferencia de la carga electroestática entre nube y tierra antes del segundo proceso de la formación del rayo, anulando el fenómeno de ionización o efecto corona en la tierra.
El cabezal del pararrayos está constituido por dos electrodos de aluminio separados por un aislante dieléctrico. Todo ello está soportado por un pequeño mástil de acero inoxidable. Su forma es esférica y el sistema está conectado en serie entre la toma de tierra eléctrica y la atmósfera que lo rodea.

Durante el proceso de la tormenta se genera un campo de alta tensión en tierra que es proporcional a la carga de la nube y su distancia de separacion del suelo. A partir de una magnitud del campo eléctrico natural en tierra, la
instalación equipotencial de tierras del pararrayos, facilita la transferencia de las cargas por el cable eléctrico. Estas cargas, indiferentemente de su polaridad, se concentran en el electrodo inferior del pararrayos que está conectado a la toma de tierra por el cable eléctrico y situado en lo más alto de la instalación.

La baja resistencia del electrodo inferior del pararrayos en el punto mas alto de la instalación, facilita la captación de cargas opuestas en el electrodo superior. Durante este proceso de transferencia de energía se produce internamente en el pararrayos un pequeño flujo de corriente entre el ánodo y el cátodo.

El efecto resultante genera una corriente de fuga, que se deriva a la puesta a tierra eléctrica de la instalación y es proporcional a la carga de la nube. Durante el proceso de máxima actividad de la tormenta se pueden registrar valores máximos de transferencia de 300 miliamperios por el cable de la instalación del pararrayos. La carga electroestática de la instalación se compensa progresivamente a tierra según aumenta la diferencia de potencial entre nube y tierra, neutralizando el efecto punta en tierra en un 100 % de los casos (Trazador o Leader). El cabezal captador del pararrayos no incorpora ninguna fuente radioactiva. El efecto de disipar constantemente el campo eléctrico de alta tensión en la zona de protección, garantiza que el aire del entorno no supere la tensión de ruptura de su resistencia dieléctrica evitando posibles chispas, ruido audible a frito, radiofrecuencia, vibraciones del conductor y caídas de rayos .

El objetivo del conjunto de la instalación, se diseña como Sistema de Protección Contra el Rayo (SPCR) donde el motivo principal es evitar la formación y descarga del rayo en la zona de protección. El sistema es eficaz en un 100 % de los casos Las instalaciones de pararrayos con tecnología CTS cubren unas necesidades más exigentes de protección, donde los sistemas convencionales de captación del rayo acabados en punta no son suficientes.

Cómo funciona la nueva tecnología de pararrayos CEC:

Características básicas. Los Pararrayos CEC se caracterizan por compensar el efecto corona durante su formación. El cabezal del pararrayos está constituido por un electrodo semiesférico de aluminio soportado por un pequeño mástil de acero inoxidable. Está conectado en serie con la propia toma de tierra para transferir la carga electroestática a tierra, evitando la excitación e impacto directo del rayo en un 95 % de los casos. No incorporan ninguna fuente radioactiva Su principio de funcionamiento se basa esencialmente en canalizar por la toma de tierra la
diferencia de potencial entre la nube y el cabezal del pararrayos CEC. La instalación conduce primero hacia arriba, por el cable desnudo de tierra, la tensión eléctrica generada por la tormenta eléctrica hasta el punto más alto de la instalación.
Durante el proceso de la tormenta se genera un transporte de cargas que se concentran en la parte inferior del electrodo del pararrayos.

A partir de una magnitud del campo eléctrico natural, indiferentemente de su polaridad, el electrodo dispersa las cargas para compensar la diferencia de potencial y evitar el efecto punta.

Durante el proceso de transferencia, se produce un intercambio equipotencial de la energía por debajo de la corona del pararrayos; la distribución de cargas es perimetral y proporcionalmente a la carga de la nube. Este proceso anula el efecto corona, evitando la generación del Leader en un 95 % de los casos.

El conjunto de la instalación se diseña como Sistema de Protección Contra el Rayo (SPCR), donde el motivo principal es minimizar el impacto y la formación del rayo en la zona de protección en un 90 % de los casos, para proteger a las personas, animales e instalaciones.
Las instalaciones de pararrayos con tecnología CTS y CEC cubren unas necesidades más exigentes de protección, donde los sistemas convencionales de captación del rayo acabados en punta no son suficientes.

Mapa Keráunico de Andorra
Keraunos en Griego significa Rayo. Un mapa Keráunico determina el nivel de riesgo donde los días de tormentas con actividad de rayos por año y Km. ² es más importante. En función del nivel de riesgo Keráunico, se pueden efectuar estudios de densidad de rayos por Km. ² . Este estudio particular determina la cantidad de rayos que caen a tierra durante un periodo determinado.
Los mapas Keráunicos son temporales y se aconseja efectuar un estudio cada 6 años.
Es conveniente, antes de efectuar un Sistema de Protección Contra el Rayo (SPCR), revisar el mapa Keráunico, y, en función de las necesidades, efectuar un estudio particular de cada zona de riesgo. El motivo es la densidad de rayos, que varia cada año a causa del comportamiento climático que puede incidir en la modificación del nivel Keráunico.
Los datos estadísticos de este mapa han sido proporcionados por la Red Nacional de Detección de rayos Francesa y el banco de datos de la empresa Météorage.
Météorage es una empresa filial del grupo Météo France, explota la red Francesa de teledetección de rayos desde el año 1987 .

La zona marcada en azul es la que actualmente está en estudio.

Mapa Keráunico del Principado de Andorra

El mapa estadístico cuantifica el fenómeno del rayo por zonas. Son datos esenciales para la evaluación del nivel de riesgo de todo un país y sirve como base para determinar actuaciones de prevención y protección contra el rayo.

Estudio particular de incidencias de rayo

Hemos efectuado un estudio personalizado de la zona. El motivo ha sido determinar la densidad de rayos en un radio de 2 Km. y lo hemos utilizado para determinar el nivel de riesgo de rayos que tenía la instalación. Este estudio fue esencial para determinar las necesidades reales de protección y ajustarse a unas necesidades técnicas más adecuadas al cliente.

Esta zona tiene una frecuencia de impactos de rayo superior a la media del mapa Keráunico y con una frecuencia anual de rayo superior a 11 descargas por km².
Los datos estadísticos del mapa keráunico, han sido proporcionados por la Red Nacional de Detección Francesa y el banco de datos de la empresa Météorage.

• Periodo de estudio: 1997/2002.
  Coordenadas geográficas de la zona a estudio : 42º26’32 N – 1º27’49 E Orientación Sur- Este, Altitud sobre el nivel del mar: 1.503 m
• Datos que se registraron para el estudio (datos Météorage) :
  – Número de impactos de rayos en un radio de 2 Km.
  – Fecha.
  – Hora ( GTM).
  – Latitud y longitud.
  – Intensidad en kA.
  – Distancia en Km. del impacto referente a la instalación.
  – Dirección del impacto referente al norte.
• Días de tormentas al año con rayos: 55

• Impactos de rayos en la zona.

• Años	1997	1998	1999	2000	2001	2002	Total
  Mes
  1	0	0	0	0	0	0	0
  2	0	0	0	0	0	0	0
  3	0	0	0	0	0	0	0
  4	0	0	1	0	0	1	2
  5	3	0	1	1	1	0	6
  6	0	1	13	1	0	8	23
  7	0	4	1	1	11	13	30
  8	7	11	3	2	1	22	46
  9	2	4	1	1	0	8	16
  10	0	0	0	0	0	0	0
  11	0	0	0	0	0	0	0
  12	1	0	0	0	0	0	1
  Total/año	13	20	20	6	13	52	124

Estudio de necesidades de protección según el modelo electrogeométrico

Las necesidades de protección se han efectuado con un programa de cálculo. El programa está destinado a ayudar al análisis de los diferentes criterios que permitirán evaluar la necesidad de la instalación de un pararrayos o no en una estructura o edificio. Se basa en 2 tipos de normas:

• – UNE 21186
• – NTE-IPP

Resumimos el contenido de la norma UNE
El cálculo según norma UNE 21186:
Partiendo del anexo B de dicha norma, tomando como referencia los factores como entorno del edificio, altura, naturaleza de la estructura, valor del contenido, ocupación humana, riesgo de pánico en caso de un impacto de rayo y sus consecuencias sobre el entorno o en la continuidad de algún servicio, se calculará el riesgo de exposición con lo cual determinaremos la necesidad de instalación de un sistema de protección contra el rayo y su eficiencia y nivel de protección correspondiente.

MEMORIA DE CÁLCULO SEGÚN PROGRAMA

2.- ESTUDIO SEGÚN LA NORMA UNE .

Este estudio está basado en el anexo B (Normativo) de la norma UNE – 21186:1996, se trata de una guía de evaluación de riesgo de impacto y está destinada a ayudar al responsable del estudio en el análisis de los diferentes criterios que permitirán evaluar el riesgo de daños debidos a la descarga, determinar la mejor protección y nivel de protección requerido. Únicamente se tratan aquí los daños causados por el impacto directo del rayo sobre la estructura a proteger y el paso de la corriente del rayo por el Sistema de Protección Contra el Rayo (SPCR).

En el estudio se propone una evaluación de los riesgos teniendo en cuenta el riesgo de impacto y los siguientes factores:

• Entorno del edificio
• Naturaleza de la estructura del edificio
• Valor de su contenido
• Ocupación humana y riesgo de pánico
• Consecuencias que tendrían sobre el entorno los daños al edifico.

La situación del edificio dentro de su entorno y su altura serán consideradas para el cálculo del riesgo de exposición.
La selección de un nivel de protección adecuado para la colocación de una Instalación Exterior de Protección contra el Rayo (IEPR) en un lugar se basa en la frecuencia de impactos de rayo, Nd, prevista sobre la estructura a proteger, y en la frecuencia anual aceptable de rayos, Nc, establecida para esa zona.
Si Nd ≤ Nc el sistema de protección no es necesario.
Si Nd > Nc se debe instalar un sistema de protección contra el rayo de eficiencia: E ≥ 1 – Nc/Nd.

2.1.- DETERMINACIÓN DE Nd Y Nc:
La frecuencia anual media Nd de impactos directos sobre una estructura se evalúa a partir de la expresión: Nd = Ng . 1,1 . Ae . C1 . 10-6 / año
Donde : Ng : Es la densidad anual media de impactos de rayo en la región donde está situada la estructura (número de impactos / año, km2).

1,1 : Es el coeficiente de seguridad ligado a la evaluación de impactos.
Ae : Es la superficie de captura equivalente de la estructura aislada (m2).
C1 : Es el coeficiente relacionado con el entorno.

2.1.1.- Determinación de la densidad de impactos de rayo (coeficiente Ng):
La densidad de impactos de rayo sobre el terreno, expresada en número de rayos por km2, se determina mediante la utilización del nivel Keraúnico local. Según la situación de la estructura estudiada, Ng/km2, año es de 0,20.

2.1.2.- Determinación de la superficie de captura equivalente (Ae):
Es la superficie sobre el suelo que tiene la misma probabilidad anual que la estructura de recibir el impacto directo de un rayo.
La superficie de captura equivalente Ae, es la superficie comprendida entre las líneas obtenidas por la intersección entre la superficie del suelo y una línea de pendiente 1:3, que pasa por el punto más alto de la estructura y le da la vuelta.

• La topografía del lugar y los objetos situados en el interior de una distancia 3H a la estructura influyen de forma significativa en su superficie de captura. Este factor se tiene en cuenta a través del coeficiente C1.
• Cuando la superficie de captura equivalente de una estructura cubre completamente otra estructura, ésta última no se tendrá en cuenta.
• Cuando se cubre la superficie de captura de varias estructuras, la superficie de captura común correspondiente se considera como una única superficie de captura.

Según las características del edificio:

• Tipo de edificio : Rectangular con torre
• Altura máxima (torre) H (m) : 25,00
• Longitud (m) : 7,00
• Ancho (m) : 5,00
• Altura del edificio (m) : 3,50
• Ae (m2) : 17671,46

2.1.3.- Determinación del coeficiente C1:
Dada la situación relativa a la estructura aislada, situada sobre una colina o promontorio, el coeficiente relacionado con el entorno será de 2,00.
2.1.4.- Frecuencia esperada de impactos directos de rayos Nd:
La frecuencia anual media de impactos directos sobre la estructura determinada según los valores de los apartados anteriores, será de Nd :0,007775.
2.1.5.- Frecuencia aceptable de rayos sobre una estructura (Nc):
Los valores de Nc se estiman a través del análisis del riesgo de daños teniendo en cuenta los factores apropiados, tales como:

• Tipo de construcción
• Contenido de la estructura
• La ocupación de la estructura
• Las consecuencias sobre el entorno en caso de impacto de rayo

Calculamos Nc = (3 . 10 –3) / C
Donde C = C2 . C3 . C4 . C5
C2 : Según tejado común y tipo de estructura de metal : 1,0
C3 : Contenido del edificio de gran valor o particularmente inflamable : 5,0
C4 : Según nivel de ocupación, en nuestro caso no ocupada : 0,5
C5 : Necesidad de continuidad en el servicio y alguna consecuencia sobre el entorno : 5
Nc : 0,000240

2.2.- NECESIDAD DE INSTALACIÓN Y NIVEL DE PROTECCIÓN:
Comparando la frecuencia aceptable de rayos Nc: 0,000240 con el valor de la frecuencia esperada de rayos sobre la estructura Nd: 0,007775, vemos que Nd > Nc. Este resultado nos revela la necesidad de instalar un sistema de protección contra el rayo de eficiencia E = 0,969 con nivel de
protección I.

Instalación de un Sistema de Protección Contra el Rayo (SPCR)

Una vez efectuado el estudio Keráunico y analizadas las necesidades técnicas de protección atmosférica, se efectuó la instalación de pararrayos con tecnología CTS según las condiciones técnicas.
La instalación de protección directa del rayo consistió en sustituir el pararrayos convencional tipo Franklin por el nuevo pararrayos CTS.
Durante los trabajos se verificaron las masas y equipotenciales de tierras para garantizar una tierra común. Al retirar la punta Franklin, se pudo comprobar la desaparición de 3 centímetros de metal de dicha punta.
La instalación se diseñó según las necesidades de protección .
El sistema de protección contra el rayo se ejecutó según el reglamento de baja tensión y una memoria técnica particular de la empresa instaladora homologada por el fabricante, respetando los parámetros eléctricos y mecánicos de las normativas vigentes del país.
Resumimos algunos detalles significativos:

Situación del pararrayos :
• El pararrayos CTS se situó centrado en el punto más alto de la torre, dos metros por encima de cualquier cosa predominante, incluida la antena.

El soporte del pararrayos:
• Es de tubo de acero inoxidable y anclado directamente en su base para garantizar un equipotencial perfecto.

El conductor eléctrico:
• Está fijado por un extremo al pararrayos y por medio de terminales especiales a la estructura de la torre, por el otro extremo está conectado a la toma de tierra eléctrica común existente en la instalación eléctrica.

Trayectoria del conductor eléctrico:
• El conductor eléctrico baja por el exterior de la torre, su recorrido es directo a la toma de tierra que está en la base de la torre. Las fijaciones del cable conductor están instaladas según una relación de 3 fijaciones por cada metro .

Toma de tierra :
• La toma de tierra es inferior a 10 ohmios y a ella están conectadas todas las masas metálicas, instalación eléctrica y pararrayos CTS.
• Entre la toma de tierra y el cable del pararrayos se ha intercalado un seccionador de tierra para efectuar controles eléctricos.
• Se ha garantizado un equipotencial entre masa e instalación eléctrica de tierra para evitar arcos eléctricos o diferencia de potencial.

Protecciones de sobre tensiones indirectas .
• La instalación ya está protegida contra sobre tensiones con un sistema de protección indirecta del rayo, para evitar destrucción de equipos electrónicos sensibles a las sobre tensiones procedentes de descargas de rayos en las líneas telefónicas, red eléctrica etc.

Una vez efectuada la instalación se puso en servicio.
El mantenimiento del conjunto de protección se efectúa anualmente .

Mantenimiento anual de pararrayos y tierras

Estos servicios se efectúan cada año para garantizar el funcionamiento del conjunto de protección del rayo.

• Operaciones físicas :
– Mantenimiento físico de pararrayos y tomas de tierra, cada año.
– Control del valor eléctrico de la toma de tierra .
– Verificar el estado de corrosión de las conexiones de tierra y corregir.
– Control Fijaciones y soportes.
– Verificar estado y continuidad eléctrica del cable de tierra entre pararrayos y toma de tierra.
– Control del soporte y fijación mástil del pararrayos.
– Verificación de las conexiones eléctricas.
– Desmontar pararrayos y limpiar si fuera necesario.
– Verificar lecturas eléctricas o contador de rayos.

• Para el seguimiento del rayo y el radio de acción de protección, la instalación está controlada por la empresa Météorage que gestiona la red de tele-detección de rayos en Francia.

• Los impactos de rayo se detectan por triangulación según los diferentes valores recogidos de las sondas, que están repartidas estratégicamente.

• Los valores estadísticos del estudio son analizados según cada incidencia. La empresa de teledetección certifica anualmente las incidencias de descargas de rayo que se han producido en la zona de supervisión. Este procedimiento particular de seguimiento y control de los equipos es aplicado actualmente en las instalaciones de pararrayos de Francia según resumen las normativas NF C 17-100.

• Los datos proporcionados son:
– Número de impactos de rayos en un radio de 2 Km.
– Fecha.
– Hora ( GTM).
– Latitud y longitud.
– Intensidad en kA.
– Distancia en Km. del impacto referente a la instalación.
– Dirección del impacto referente al norte.

Seguimiento y control de la eficacia del pararrayos CTS

Una vez puesta en servicio la instalación con el nuevo sistema de pararrayos CTS, se contrataron los servicios de teledetección de rayos a la empresa Météorage (Grupo Météo France) para controlar la identidad y evolución del rayo, dentro y fuera del radio de acción del sistema de protección atmosférico .
Les presentamos un breve resumen del estudio y comportamiento de los rayos, valores eléctricos y frecuencia de cada impacto durante el periodo de 7 años, entre 1997/2004 .
Los gráficos resumen la evolución de los días de tormenta en la zona, así como la actividad de rayos caídos dentro de en un radio de acción de 2 Km.
Durante este periodo, la gráfica muestra la variación de la actividad de tormentas por día y año; así mismo se puede comprobar que después de efectuar la nueva instalación de pararrayos CTS, la actividad de rayos de la zona se mantuvo superior a otros años debido al cambio climático. Desde 1997 se han contabilizado 73 días de tormentas con aparato eléctrico y concretamente 251 descargas de rayos en un radio de 2 Km.
Una vez efectuada la nueva instalación de protección del rayo, la instalación no ha estado afectada por ninguna descarga directa.
Distribución anual de los días con tormentas y actividad eléctrica.

Días de tormentas al año y previsiones 2006

La previsión para los próximos años es un incremento generalizado de la actividad eléctrica en la atmósfera que repercutirá en tormentas eléctricas con rayos de gran potencial destructivo.

Rayos detectados:

Mes con más impactos de rayos :
Agosto es un mes crítico para pasear por la montaña en nuestro país, sobre todo entre las 13 y 14 horas, en agosto del 2004 se registraron 53 impactos de rayos en la zona de estudio.

Hora con más incidencia de rayos : 14 h.
Año de más actividad rayos: 2004.

Intensidad máxima de una descarga de rayo durante el periodo de estudio:

• Positiva: 104 kA
• Negativa: -121 kA

Intensidad mínima de una descarga de rayo durante el periodo de estudio:

• Positiva: 7 kA
• Negativa: – 4 kA

Rayos negativos y positivos:

Nuestro análisis provisional detecta que la actividad de rayos positivos ha desaparecido temporalmente los últimos 2 años y se aprecia un aumento progresivo de la actividad eléctrica durante el mes de agosto del 2004 (53 rayos negativos).

Mes com más actividad de rayos entre 1997 y el 2004

Generalmente los rayos son negativos a tierra y suelen aparecer entre un 10 y un 20 % de rayos positivos durante las tormentas que se generan en tierra y suben ramificados a la nube. Este estudio en particular nos confirma que los rayos tierra-nube son aproximadamente del 15 %.

Intensidad total acumulada de las descargas de rayos

• Positiva: 697 kA.
• Negativa: -3.576 kA.

Este gráfico nos muestra el comportamiento de una tormenta atípica durante el mes de Julio del 2002. Sólo se generaron 3 días de tormentas durante ese mes y se puede apreciar que durante este fenómeno eléctrico particular, la corriente total que se compensó a tierra fue de 445 kA en un tiempo de 11 minutos y 38 segundos.
– El 30/07/2002 se produjeron 9 rayos, 2 negativos y 7 rayos positivos en menos de 11 minutos uno de ellos de 104 kA. (rayos ascendentes a la nube ).

Evolución de rayos ascendentes de tierra a nube.

Densidad de rayos prevista para los próximos años

Evolución anual de los rayos y prevision para el 2006.

Observaciones
El potencial y la cantidad de descargas de los rayos son aleatorios, pero se aprecia una tendencia al incremento debido a los diferentes cambios climáticos. Las erupciones solares son alguna de las causantes del aumento de la saturación de la carga en la atmósfera.

Resultado del análisis de incidencias de rayos antes de efectuar la instalación de la nueva tecnología de pararrayos CTS:
124 Impactos de rayos dentro de un radio de 2 Km. durante el periodo 5 años (1997-2002). De 1 a 2 impactos directos de rayos en la instalación .

Resultado del análisis de incidencias de rayos después de efectuar la instalación de la nueva tecnología de pararrayos CTS:
126 Impactos de rayos dentro de un radio de 2 Km. durante el periodo 2 años (2002-2004). Sin incidencias en la instalación.

Durante el estudio de la evolución de los rayos, hemos apreciado un incremento de la actividad eléctrica de la atmósfera en los últimos tres años.
Durante los últimos años, la actividad solar y ,en concreto las tormentas solares, afectan directamente a nuestro planeta. La tierra está golpeada implacablemente por radiaciones ultravioletas, rayos X y torrentes de partículas cargadas, lo cual distorsiona el campo magnético e induce poderosas corrientes eléctricas a la atmósfera; que se representan en peligrosas auroras y aumento de la actividad térmica en la atmósfera (tormentas con muchos rayos). Según informes de la NASA, se espera una máxima actividad solar para el año 2012.

En este estudio en particular podemos apreciar que la instalación de un nuevo sistema de protección del rayo actúa directamente compensando la diferencia de potencial entre la nube y la instalación y sólo se diferencia en el electrodo captador (Pararrayos).

Esta diferencia objetiva y constructiva, cambia la política de protección: Pararrayos puntas Franklin“capturar el rayo” Pararrayos CTS “ evitar que caiga”.

La diferencia tecnológica entre los 2 sistemas de protección del rayo son :
1- Los pararrayos que ionizan el aire por efecto punta, excitan la descarga y la conducen a la toma de tierra de a la instalación generando sobre tensiones y problemas eléctricos repercutidos importantes, en función de la intensidad de la descarga del rayo, con incluso el paro de la instalación.

2- Los pararrayos que desionizan el aire y evitan los efectos punta en tierra transfiriendo la carga eléctrica de la atmósfera antes que la formación del campo eléctrico de alta tensión atmosférico se genere en la instalación. Éstos derivan la fuga de corriente de baja intensidad a la toma de tierra, evitando así la descarga del rayo en la instalación a proteger.

La implantación de nuevas tecnologías de protección externa del rayo es necesaria. Éstas tienen que dar paso a una nueva política de protección donde el objetivo principal sea transferir la carga eléctrica de la atmósfera a tierra durante el proceso de la tormenta. Se tienen que utilizar sistemas que se anticipen a la primera fase de generación de carga del rayo, antes de que éste se forme para compensar su diferencia de potencial entre nube y tierra, evitando así la formación del efecto corona.
La prevención es una responsabilidad de todos, y la necesidad de una protección eficaz del rayo es evidente en muchas actividades humanas. Quien se tiene que proteger del fenómeno rayo somos nosotros, nuestros animales o nuestras instalaciones, no tenemos que excitar ni atraer la descarga brutal del rayo en ninguno de los casos.

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