Pararrayos, rayos y efectos peligrosos – Primera Parte

A estas preguntas trataremos de responder en este trabajo. Hablaremos de los rayos y descargas eléctricas, los problemas que causan, actividades sensibles humanas a la actividad eléctrica, etc., y terminaremos con los siste-mas de protección que actualmente disponemos.

Angel Rodríguez Montes
[email protected]
Septiembre 2004
Principado de Andorra

Introducción

Es bien sabido que el clima está cambiando poco a poco, bien por causas naturales o antropogénicas o ambas a la vez. La expresión " el tiempo está loco" se acentúa cada vez más. Entre otros fenómenos y desastres climatológicos podemos señalar aumento progresivo de las tormentas, así como su intensa eléctrica (1, Ver referencias).

Diariamente en el mundo se producen unas 44.000 tormentas y se generan mas de 8.000.000 de rayos según el sistema de detección mundial de meteorología.

Casi todas las descargas naturales se inician en el interior de las nubes y progresan en forma de árbol de diferentes ramas, unas se compensan con cargas negativas y las otras con cargas positivas; en su trayectoria transportan corrientes eléctricas que pueden llegar como término medio a 30.000 Amperios a valores máximos superiores a los 300.000 Amperios durante millonésimas de segundo con potenciales que se han llegado a estimar en valores que sobrepasaban los 15 millones de voltios desprendiendo una energía térmica superior a los 8.000 grados, como referencia atípica en España el 7 de agosto de 1992 en un solo día cayeron 32.000 rayos según el Servicio de teledetección de rayos del Instituto Nacional de meteorología

Los rayos han causado en España, desde 1941 hasta 1979, alrededor de 2.000 muertos (1,6 muertos por año y millón de habitantes). El Instituto Nacional de Meteorología dispone desde 1992 de una moderna red que permite detectar los rayos que caen en todo el territorio nacional. (www.inm.es) .

No hay duda del gran peligro asociado al fenómeno rayo junto con sus efectos destructivos por el impacto directo o indirecto; por ese motivo estamos sensibilizando a la población a revisar las necesidades de protección del impacto directo del rayo y la efectividad de los sistemas actuales de pararrayos.

En este artículo nos referiremos a los rayos, que son las descargas eléctricas generadas entre la nube y la tierra.

La prevención. Es una responsabilidad de todos, la necesidad de una protección eficaz del rayo es evidente en muchas actividades humanas. Quien se tiene que proteger somos nosotros, no tenemos que excitar ni atraer la descarga brutal del rayo. Tenemos que transferir la carga eléctrica atmosférica pacíficamente, antes de que el rayo se forme y evitar, así, su caída o impacto directo.

Nuestra obligación, como empresa, es informarle de algunos temas relevantes del fenómeno rayo y sistemas de protección (Pararrayos). Es conveniente analizar la problemática actual y las necesidades reales de protección del rayo que necesitamos cada uno de nosotros según la tipología de cada instalación. También, queremos dar a conocer los diferentes principios de funcionamiento de algunos pararrayos.

El rayo: sus efectos, repercusiones eléctricas y algunos sistemas de protección directa ( pararrayos)

Rayo es la reacción eléctrica causada por la saturación de cargas electroestáticas que han sido generadas y acumuladas progresivamente durante la activación del fenómeno eléctrico de una tormenta. Durante unas fracciones de segundos, la energía electroestática acumulada se convierte durante la descarga en energía electromagnética (el relámpago visible y la interferencia de ruido), energía acústica ( trueno) y, finalmente calor. El fenómeno rayo se representa aleatoriamente a partir de un potencial eléctrico atmosférico ( 10/45 kV), entre dos puntos de atracción de diferente polaridad e igual potencial para compensar las cargas.

La densidad de carga del rayo es proporcional a la saturación de carga electroestática de la zona. A mayor densidad de carga, mayor es el riesgo de generar un líder y a continuación una descarga de rayo.

El líder o guía escalonada (Step Leader) es el trazador que guiara la descarga del rayo a la zona donde se genere. El rayo tiende a seguir un camino preparado, es la concentración de transferencia de electrones (10.000 Culombios por segundos) en un punto concreto para compensar las cargas electroestáticas de signos opuestos. Durante su generación y en función de la transferencia de carga, el fenómeno se puede representar (Efecto Corona ) en forma de chispas eléctricas generalmente de color verde-azul y con fuerte olor a ozono ( ionización del aire). No es constante ni estable y puede viajar y moverse en función de los puntos calientes de ionización (fuego de Sant Elmo). Cuando se visualiza este fenómeno, el campo eléctrico-Atmosférico de alta tensión es tan grande que los pelos de la piel se ponen de punta hacia arriba y la descarga de rayo se puede representar.

La intensidad de la descarga del rayo es variable y dependerá del momento crítico de la ruptura de la resistencia del aire entre los dos puntos de transferencia. También estará influenciada por la resistencia de los materiales expuestos en serie, como por ejemplo: tierra, roca, madera, hierro, instalaciones de pararrayos, las puestas a tierra, etc.

El aire no es un aislante perfecto su resistencia dieléctrica antes de la ruptura es de 3kV /mm y varia proporcionalmente con la altura.

La ruptura del dieléctrica del aire también variará según el grado de contaminación atmosférica, temperatura, humedad, presión y radiación electromagnética natural o no.

El rayo puede transportar una carga de electrones en menos de un segundo equivalente a 100 millones de bombillas ordinarias, la media que se valora por rayo es de 20GW de potencia.

El sentido de la descarga del rayo es, generalmente, un 80% de nube a tierra (rayos negativos), el 10 % son descargas ascendentes de tierra a nube (rayos positivos). Las descargas de los rayos positivos suelen ser de más intensidad que los negativos (2, Ver referencias).

La trayectoria del rayo puede ser caótica, siempre predominarán los ambientes eléctricos cargados, aunque los estudios del campo eléctrico atmosférico en tierra determinan que la distribución de cargas en tierra no es estática, sino que es dinámica al formarse y generar aleatóriamente chispas en diferentes puntos geográficos al mismo tiempo, la intensidad y situación del campo cambia radicalmente. No se puede garantizar la zona de impacto del rayo una vez formado sin una protección adecuada.

El nivel de riesgo de rayos se llama nivel keráunico, se valora por el número de días de la actividad de rayos por año y km2, estos niveles solo son de referencia pues suelen ser muy variables, algunos se mantienen durante más tiempo por las características del contexto ambiental y telúrico, la media tiene que ser valorada como mínimo cada 5 años, en griego "Keraunos" significa rayo. Se puede efectuar un seguimiento de los impactos de rayos en diferentes mapas virtuales. Existen varios portales donde podemos ver la actividad de rayos casi en tiempo real a nivel nacional y europeo, por ejemplo en:

Las líneas Isoceráunicas son indicadores de medición de un área concreta que determina diferentes zonas de riesgo.

Las temporadas de tormentas son cada vez más grandes y activas , el gráfico representa la evolución de los días de tormenta e impactos de rayos en un periodo de 6 años en la zona geográfica de las Pardines ( 1.503 metros sobre el nivel de mar ) en el Principado de Andorra. (3, Ver referencias).

Las tormentas generan peligrosas cargas eléctricas por kilómetro cuadrado dentro de los núcleos de nubes tormentosas, sobre todo en alta montaña con climas predominantemente secos ( =< 32 % HR ). La diferencia de potencial entre la base de la nube y tierra aumenta progresivamente ionizando el aire en el gran espacio tiempo, los valores de referencia son del orden de cien millones de voltios y el valor del campo electroestático en tierra es de 10 kV por cada metro de elevación sobre la superficie de la tierra. La compensación de la carga electroestática se transfiere de dos maneras. Una es pacíficamente por el flujo de electrones en una gran área geográfica ( Km2) y en un largo periodo de tiempo (minutos) sin visualizar la descarga del rayo a tierra. La otra es debido a la gran concentración de transferencia de electrones en un corto espacio tiempo, metros2 / segundos.

En las zonas de alto nivel keráunico la transferencia de esta energía se representa en forma de rayo con impactos a tierra para compensar al campo eléctrico de alta tensión que se ha generado.

Sus efectos.

El cuerpo humano es una máquina bioeléctrica, polarizada eléctricamente y toda la actividad electromagnética del entorno nos afecta. Cada impacto de rayo genera una radiación o pulso electromagnético peligroso para las personas.

Los campos electromagnéticos artificiales perturban el magnetismo natural terrestre y el cuerpo humano sufre cambios de sus ritmos biológicos normales pudiendo sucumbir a diferentes enfermedades.

Estos fenómenos están en estudio, pues pueden afectar la membrana celular a partir de una gran exposición en corto tiempo; en función de la radiación absorbida nuestro sistema nervioso y cardiovascular pueden estar afectados.

Hoy en día está comprobado que las corrientes eléctricas de baja frecuencia con densidades superiores a 10 mA/m2 afectan al ser humano, no solo al sistema nervioso sino también pueden producir extrasístoles.

Toda radiación superior a 0.4W/kg no podrá ser adsorbida correctamente por el cuerpo. El aumento repentino de 1 grado en el cuerpo puede producir efectos biológicos adversos, éste fenómeno puede ser representado por radiaciones de gigaherzios o microondas. (4. ver referencias).

La información siguiente es un extracto del de la Tesis doctoral en Medicina del Doctor Cauman Laurent, " Los accidentes por fulminación ", en francés " Les accidents de la fulguration". ( 5. ver referencias ).

Los impactos de rayo directos son destructores y mortales

Cuando el rayo impacta en un punto, genera varios efectos debido a la desproporcionada y devastadora energía transferida. Los fenómenos repercutidos serán de diferente gravedad en función de la intensidad de la descarga.

Fenómenos repercutidos:

Los impactos de rayos indirectos son muy peligrosos, generan fuertes tensiones de paso.

La distancia y potencial de la descarga generará diferentes efectos que afectará directamente al cuerpo humano.

Resumimos los diferentes efectos físicos que pueden ocasionar a las personas, si nos encontramos dentro de un radio de acción inferior a 120 metros del impacto.

Efectos físicos:

Extracto de la Tesis doctoral en Medicina del Doctor Cauman Laurent.

Repercusiones eléctricas :

El potencial y la cantidad de descargas de los rayos son aleatorios en todo el planeta, pero cada vez, 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 ( 6. ver referencia)

Durante las tormentas solares nuestro planeta está golpeado 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, se espera una máxima actividad solar para el año 2012. ( 7.ver referencia ).

Durante la descarga del rayo se generan inducciones y acoplamientos en líneas de transporte eléctrico y de comunicaciones, todos los equipos electrónicos sensibles que se encuentre dentro de un radio de acción de 120 metros pueden estar afectados por una sobre tensión inducida. En función de la intensidad de descarga del rayo las tomas de tierra no llegan a adsorber la totalidad de la energía potencial descargada en menos de 1 segundo, generando retornos eléctricos por la toma de tierra al interior de la instalación eléctrica. Este fenómeno puede generar tensiones de paso peligrosas si las instalaciones no están preparadas al efecto.

Se tiene que tener en consideración que todos los materiales o puntos de contacto a tierra tiene diferente valores de comportamiento eléctrico, su propia resistencia eléctrica puede variar considerablemente en función de las condiciones medioambientales y su composición mineral ( valores =< a 5 O, a valores => 3000 O ). Los valores mínimos registrados en el momento de una descarga es de decenas de kA a valores máximos registrados de 300 kA en un solo impacto.

El impacto de rayos genera sobre los cables aéreos una onda de corriente, de amplitud fuerte, que se propaga sobre la red creando una sobre tensión de alta energía.

Por ejemplo, si aplicamos la Ley de Ohm, y tomando un valor medio del impacto de un rayo a tierra de 30 kA ( 30.000 Amperios) y un valor de la resistencia de la toma de tierra de 10 O ( ohmios), entonces se tiene unos resultados de energía que circulará por el cable de tierra a la toma de tierra física de 300.000 Voltios ( Alta Tensión ) y 9.000.000 kW ( Alta Energía de radiación.

Las consecuencias: Destrucción de material, envejecimiento prematuro de los componentes electrónicos sensibles, disfunción de los equipos conectados a la res con peligro de incendio.

Ponemos a continuación algunos valores de referencia del fenómeno rayo:

Los rayos causan muchas muerte en el mundo, solo en Brasil mueren cien personas por año . es uno de los país más afectados por la muerte directa de personas causada por los rayos, según investigadores brasileños equivale al 10 por ciento del total mundial. ( 8, ver referencias )

Algunas estadísticas de daños en Francia causados por el rayo.

Hemos tomados los datos del portal de Météorage que a continuación citamos:

http://www.meteorage.fr/meteorage.fr/foudre_phenomene_physique6.html

Diferentes sistemas de protección del rayo

Introducción

En 1747 B. Franklin inició sus experimentos sobre la electricidad. Adelantó una posible teoría de la botella de Leyden, defendió la hipótesis de que las tormentas son un fenómeno eléctrico y propuso un método efectivo para demostrarlo. Su teoría se publicó en Londres y se ensayó en Inglaterra y Francia antes incluso de que él mismo ejecutara su famoso experimento con una cometa en 1752. Inventó el pararrayos y presentó la llamada teoría del fluido único para explicar los dos tipos de electricidad atmosférica, la positiva y negativa. Desde entonces el Pararrayos a evolucionado con diferentes tecnologías, unos, manteniendo el principio de ionización por efecto punta a partir de un campo eléctrico natural.

todos los pararrayos que acaban en una o varias puntas tienen como principio la excitación y captación del rayo. En mayor o menor grado generan efectos segundarios de contaminación electroestática y electromagnética que afectan con la posible destrucción a las instalaciones eléctricas y equipos, por ese motivo los fabricantes de pararrayos recomiendan protecciones suplementarias en las instalaciones internas para minimizar los efectos de la subida de tensión temporal (sobre tensión) en los equipos eléctricos, de telecomunicaciones, audiovisual y cualquier otro que contengan electrónica sensibles, durante la descarga del rayo en el pararrayos.

Durante la evolución industrial, no existían tecnologías electrónicas tan sensibles como las actuales, si miramos a nuestro alrededor, pocos son los equipos eléctricos o electromecánicos que no llevan incorporado un sistema electrónico de control para facilitarnos los procesos que utilizamos en nuestra vida cotidiana, todos ellos incorporan componentes electrónicos cada vez mas reducidos y sensibles a las variaciones de tensión y frecuencia. Es evidente que les afecta la contaminación eléctrico ambiental y dependen de la continuidad y calidad en el suministro eléctrico o en la comunicación de la información, por ese motivo se tiene que evitar en lo posible las fuentes que generan perturba-ciones electromagnéticas, como por ejemplo los impactos de rayos cercanos o las instalaciones de pararrayos Fran-klin tipo punta o PDC ( pararrayos con Dispositivo de Cebado ) que excitan y atraen la descarga del rayo dentro de los núcleos industriales o urbanos. Otros utilizan el campo eléctrico atmosférico durante la tormenta para transferir la carga del sistema pacíficamente sin producir descarga ( CTS, Charge Transfer System ).

Algunas de las normativas de pararrayos

Las normas actuales relacionadas con las instalaciones reglamentarias de pararrayos, pretenden como objetivo de la protección del rayo, salvaguardar la vida de las personas y animales junto a sus propiedades y remarcan que en mayor o menor grado, aceptan que no existe una protección absoluta contra el fenómeno de las tormentas eléctricas, sino sólo una protección adecuada. ( 9. ver referencia )

Las normativas dejan abierta la posibilidad de aplicar otros sistemas de protección, donde la necesidad de soluciones para la protección del rayo sea particularmente más exigente.

Ensayos de pararrayos en laboratorio.

Los ensayos experimentales en un laboratorio técnico de alta tensión, solo se tendrían que utilizar a nivel técnico comparativo como referencia para que el fabricante pudiera comprobar la efectividad técnica del cabezal aéreo (capta-rayos o pararrayos) que se lleva a ensayo.

No se podrá representar jamás en un laboratorio técnico, todos los parámetros variables de los fenómenos naturales que están implicados estrechamente en la transferencia, excitación y descarga del rayo.

Los parámetros y procedimientos que se utilizan actualmente en un laboratorio técnico de alta tensión, son fijos dentro de un protocolo y características técnicas. La configuración del ensayo no tienen que ver en absoluto con las tan diferentes configuraciones de las instalaciones de pararrayos. En el campo de aplicación de una instalación de pararrayos, intervienen muchos fenómenos medioambientales y diferentes contextos geográficos, formas arquitectónicas, materiales que pueden interferir positiva o negativamente en la transferencia, excitación y descarga de la energía del rayo.

El ensayo experimental de un pararrayos en un laboratorio técnico de alta tensión no contempla el resto de los componentes de una instalación de un pararrayos, es decir, el mástil, los soportes, el conductor eléctrico, la toma de tierra, etc.

Las pruebas de eficacia de un sistema de protección del rayo, tienen que ser efectuadas en el campo de aplicación y comprobar que cumplan con el objetivo para lo cual todo el conjunto de la instalación de un pararrayos ha estado diseñada, efectuando un seguimiento en tiempo real del fenómeno rayo y unas revisiones periódicas de mantenimiento.

Artículo Enviado: Angel Rodríguez Montes