Pararrayos, rayos y efectos peligrosos – Segunda Parte
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- El 13 septiembre, 2004
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Resumimos algunos de los principios de funcionamiento de algunos Atrae-rayos y Pararrayos
Si deseamos captar el rayo ( Atrae-rayo ) pondremos atención en algunos tipos de pararrayos tipo Franklin o PDC ( Pararrayos con dispositivo de Cebado ) que basan su principio de funcionamiento en la ionización pasiva o activa del aire para excitar la carga, y crear un camino abierto para capturar la descarga del rayo y canalizar su energía potencial por un cable a la toma de tierra eléctrica.
A. Los pararrayos ionizantes.
Pararrayos que ionizan el aire y capta la descarga del rayo ( Atrae-rayos):
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Se destacan por ser electrodos acabados en una o varias puntas.
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Están instalados en la parte más alta de la instalación y conectados a tierra. Se dividen en:
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Ionizantes pasivos (A-1, ver más adelante)
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Semi-Activos (A-2, ver más adelante).
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Durante la descarga del rayo se generan corrientes de Alta Tensión por el conductor eléctrico de tierra superiores , siendo peligroso estas cerca del pararrayos en ese momento.
Si de lo contrario deseamos parar el rayo ( Pararrayos ) en un perímetro de seguridad del cual queremos proteger las instalaciones, nos decidiremos por la nueva tecnologías de pararrayos CTS ( Charge Transfer System ), en español Sistema de Transferencia de Carga. Basan su principio en la desionización, el objetivo es evitar la saturación de carga electroestática en la atmósfera, concretamente compensar pacíficamente la diferencia de potencial de la zona durante el proceso de la formación de la tormenta. Con este principio se evita el campo de alta tensión que genera la formación de efluvios y la excitación de la presencia del rayo. El resultado es una zona eléctricamente estable sin influencias de caídas de rayos.
B. Los pararrayos desionizantes pasivos .
Pararrayos que desionizan el aire y para la formación del rayo (pararrayos):
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Se destacan por ser de forma esférica.
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Están instalados en la parte más alta de la instalación y conectados a tierra.
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Durante el proceso de la carga electroestática del fenómeno del rayo, la transferencia de su energía a tierra, se transforma en una corriente de fuga a tierra, su valor eléctrico se puede registrar con una pinza amperimetrica de fuga a tierra, el valor máximo de lectura en plena tormenta no supera los 250 Mili-Amperios y es proporcional a la carga eléctrico-Atmosférica.
Nota: Todos los sistemas de pararrayos para la protección del rayo, se instalan según unas normativas particulares y se resumen en 3 elementos básicos:
1. La toma de tierra con una resistencia inferior a 10 O
2. El mástil y cable conductor que conecta la tierra con el cabezal aéreo.
3. El pararrayos (Cabezal aéreo).
A-1. Pararrayos ionizantes pasivos (PSF) Puntas simple Franklin ( Atrae-rayos simple ):
Analicemos algunos principios básicos.
1. Características básicas. Son electrodos de acero o de materiales similares acabados en una o varias puntas, de-nominados Punta simple Franklin, no tienen ningún dispositivo electrónico ni fuente radioactiva. Su medida varía en función del modelo de cada fabricante, algunos fabricantes colocan un sistema metálico cerca de la punta para generar un efecto de condensador.
2. 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, la instalación conduce primero hacia arriba, por el cable desnudo de tierra, la tensión eléctrica generada por la tormenta, para compensar la diferencia de potencial en el punto más alto de la instalación. Durante el proceso de la tormenta se generan campos eléctricos de alta tensión que se concentran en las puntas mas predominantes, a partir de una magnitud del campo eléctrico alrededor de la punta o electrodo, aparece la ionización natural o efecto corona, son mini descargas disruptivas que ionizan el aire , este fenómeno es el principio de excitación para trazar un camino conductor que facilitara la descarga del fenómeno rayo (Lider ).
En función de la transferencia o intercambio de cargas, se puede apreciar en la PSF, chispas diminutas en forma de luz, ruido audible a frito, radiofrecuencia, vibraciones del conductor, ozono y otros compuestos. Este fenómeno arranca una serie de avalancha electrónica por el efecto campo, un electrón ioniza un átomo produciendo un segundo electrón, éste a su vez junto con el electrón original puede ionizar otros átomos produciendo así una avalancha que aumenta exponencialmente. Las colisiones no resultantes en un nuevo electrón provocan una excitación que deriva en el fenómeno luminoso. A partir de ese momento, el aire cambia de características gaseosas al límite de su ruptura dieléctrica, el rayo es el resultado de la saturación de cargas entre nube y tierra, se encarga de transferir en un instante, parte de la energía acumulada; el proceso puede repetirse varias veces.
3. El objetivo de estos atrae-rayos es proteger las instalaciones del impacto directo del rayo, excitando su carga y capturando su impacto para conducir su potencial de alta tensión a la toma de tierra eléctrica. (Las instalaciones de pararrayos están reguladas por normativas de baja tensión).
Se han dado casos que la punta del PSF, el efecto térmico a fundido varios centímetros de acero de la punta Franklin.
A-2. Pararrayos ionizantes Semi-activos ( PDC) pararrayos con dispositivo de cebado (atraer-rayos):
1. Características básicas. Están formados por electrodos de acero o de materiales similares acabados en una punta, incorporan un sistema electrónico que genera un avance en el cebado del trazador (Lider); No incorporan ninguna fuente radioactiva, tienen un dispositivo electrónico sensible compuesta de diodos, bobinas, resistencias y condensadores, inundados en una resina aislante, todo ello blindado; otros incorporan un sistema piezoeléctrico. Los dos sistemas se caracterizan por anticiparse en el tiempo en la captura del rayo una vez que se produce la carga del dispositivo de excitación. Las medidas de los cabezales varían en función del modelo de cada fabricante.
2. 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. La instalación conduce primero hacia arriba por el cable desnudo de tierra, la tensión eléctrica generada por la tormenta, al punto más alto de la instalación para compensar la diferencia de potencial. El sistema electrónico aprovecha la influencia eléctrica del aumento de potencial entre la nube y la tierra, para auto alimentar el circuito electrónico y excitar la avalancha de electrones, la excitación del rayo se efectúa ionizando el aire por impulsos repetitivos, según aumente gradualmente la diferencia de potencial aportada por la saturación de cargas eléctrico-atmosféricas aparece la ionización natural o efecto corona, son mini descargas periódicas que ionizan el aire , este fenómeno es el principio de excitación para trazar un camino conductor intermitente que facilitara la descarga del fenómeno rayo (Lider).
Durante el proceso de la tormenta se generan campos de alta tensión que se concentran en las puntas mas predominantes, a partir de una magnitud del campo eléctrico alrededor de la punta o electrodo, aparece la ionización por impulsos, son pequeños flujos eléctricos, se puede apreciar en forma de diminutas chispas de luz, ruido audible a frito, radiofrecuencia, vibraciones del conductor, ozono y otros compuestos. Este fenómeno arranca una serie de avalancha electrónica por el efecto campo, un electrón ioniza un átomo produciendo un segundo electrón, éste a su vez junto con el electrón original puede ionizar otros átomos produciendo así una avalancha que aumenta exponencialmente. Las colisiones no resultantes en un nuevo electrón provocan una excitación que deriva en el fenómeno luminoso. A partir de ese momento el aire cambia de características gaseosas al límite de su ruptura dieléctrica, el rayo es el resultado de la saturación de cargas entre nube y tierra, se encarga de transferir en un instante, parte de la energía acumulada en el condensador atmosférico( nube-tierra ); el proceso puede repetirse varias veces.
El dispositivo electrónico del PDC está conectado en serie entre el soporte del cabezal y el cabezal aéreo
3. El objetivo de estos atrae-rayos es proteger las instalaciones del impacto directo del rayo, excitando su carga y capturando su impacto para conducir su potencial de alta tensión a la toma de tierra eléctrica.
Estos equipos se caracterizan por incorporar un sistema de cebado que anticipan la descarga de 25 a 68 us, micro-segundos. (Las instalaciones de pararrayos PDC están reguladas por normativas de baja tensión).
El dispositivo de cebado de los pararrayos PDC.
El sistema de cebado necesita un tiempo de carga para activar el dispositivo electrónico que generara un impulso, a continuación volverá a efectuar el mismo proceso mientras exista el aporte de energía natural, este tiempo de carga del dispositivo electrónico no se contabiliza en los ensayos de laboratorio de alta tensión de un PDC.
En el campo de aplicación, el dispositivo electrónico instalado en la punta del PDC, necesita un tiempo de trabajo para la cargar del sistema de cebado; Durante ese proceso, el efecto de ionizacion se retrasa en la punta del PDC referente a los sistemas convencionales de pararrayos Franklin.
El dispositivo de cebado está construido con componentes electrónicos sensibles a los campos electromagnéticos, está instalado en el cabezal aéreo ( PDC) dentro de la influencia de los efectos térmicos, electrodinámicos y electromagnéticos del rayo. En fusión de la intensidad de descarga del rayo la destrucción del dispositivo electrónico es radical, a partir de ese momento la eficacia del PDC no esta garantizada y la instalación de protección queda fuera de servicio.
Algunos fabricantes aconsejan la revisión del circuito electrónico del pararrayos cada vez que recibe un impacto.
Pararrayos desionizantes pasivos, tecnología CTS, Charge Transfer System , (pararrayos).
1. Características básicas. Los Pararrayos Desionizadores de Carga Electroestática (PDCE), incorporan un sistema de transferencia de carga ( CTS ), no incorporan ninguna fuente radioactiva. Se caracteriza por transferir la carga electroestática antes de la formación del rayo anulando el fenómeno de ionización o efecto corona. El cabezal del pararrayos está constituido por dos electrodos de aluminio separados por un aislante dieléctrico todo ello soportado por un pequeño mástil de acero inoxidable. Su forma es esférica y el sistema 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.
2. 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, la instalación conduce primero hacia arriba, por el cable desnudo de tierra; la tensión eléctrica generada por la tormenta eléctrica al punto más alto de la instalación, durante el proceso de la tormenta se genera campos de alta tensión que se concentran en el electrodo inferior (cátodo), a partir de una magnitud del campo eléctrico, el electrodo superior (ánodo +) atrae cargas opuestas para compensar la diferencia de potencial interna del cabezal, durante el proceso de transferencia, en el interior del pararrayos se produce un flujo de corriente entre el ánodo y el cátodo, este proceso natural anula el efecto corona en el exterior del pararrayos, no produciendo descargas disruptivas, ni ruido audible a frito, ni radiofrecuencia, ni vibraciones del conductor. Durante el proceso, se produce una fuga de corriente a tierra por el cable conductor eléctrico, los valores máximos que se pueden registrar durante el proceso de máxima actividad de la tormenta , no superan los 300 miliamperios. A partir de ese momento el campo eléctrico ambiental no supera la tensión de ruptura al no tener la carga suficiente para romper su resistencia eléctrica.
3. El objetivo es evitar el impacto directo en la zona de protección para proteger a las personas , animales e instalaciones, el conjunto de la instalación se diseña para canalizar la energía del proceso anterior a la formación del rayo desde el cabezal aéreo hasta la toma de tierra. (las instalaciones de la puesta a tierra y cables del pararrayos están reguladas según las normativas de baja tensión)
4. Las instalaciones de pararrayos con tecnología CTS cubre unas necesidades más exigentes de protección, donde los sistemas convencionales de captación del rayo acabados en punta no son suficientes.
Conclusiones
Las nuevas tecnologías de protección del rayo se convierten en una necesidad evidente para la protección de las personas, animales e instalaciones: comunicación, audiovisual, maquinaria etc.
Los sectores más afectados por el fenómeno rayo, tienen a su alcance las soluciones definitivas. Las nuevas tecnologías para el diseño de Sistema de protección mas eficaz del rayo, cumple con el objetivo para los que han sido diseñadas: proteger del impacto del rayo evitando su caída en la zona de protección.
De lo analizado hasta ahora podemos concluir que:
1. Se prevé que el cambio climático genere temporadas de tormentas cada vez más largas con grandes poten-ciales energéticos que repercuten en una tendencia hacia una mayor actividad eléctrico-Atmosferica, en general, y de rayos, en particular.2. Los impactos de rayos son aleatorios y su trayectoria es caótica con un potencial de descarga muy destructivo.3. Las nuevas tecnologías electrónicas de comunicaciones, simplifican la gestión o información para el usuario pero aumentan la necesidad propia de una protección más eficaz.4. Evitar la caída del rayo es una necesidad evidente. Cada vez hay una mayor cantidad de actividades humanas donde el impacto o presencia de rayos es notoria y sensible.5. Los pararrayos tipo Franklin excitan y atraen las descargas de rayos (Atrae-rayos), generando fenómenos de repercusión eléctrica, a veces, peligrosos para los componentes electrónicos sensibles.6. Los pararrayos PDC excitan y atraen las descargas (Atrae-rayos), se caracterizan primordialmente por su sistema electrónico de cebado incorporado en el cabezal del pararrayos, este sistema consigue en un laboratorio de alta tensión adelantarse a la captación de la descarga en un tiempo más corto ( microsegundos), referente a la descarga de un pararrayos en punta tipo Franklin, pero en el campo de aplicación tienen un retraso de microsegundos para efectuar el trabajo de carga del dispositivo electrónico.
Algunos fabricantes de pararrayos PDC, aconsejan la revisión del cabezal cada vez que un rayo impacta en ellos, para verificar la eficacia de su sistema electrónico de cebado que lleva incorporado y cambiarlo si fuera necesario. El motivo es la posible destrucción del sistema electrónico de cebado producido por los efectos: térmicos, electrodinámicos y electromagnéticos del rayo durante el impacto.7. Los certificados de laboratorios de alta tensión que avalan la eficacia del sistema PDC tendrían que ser solo utilizados, como documentos de referencia técnica del fabricante, no como aplicación en las instalaciones ya que la norma no garantiza una protección absoluta con estos sistemas de pararrayos y los ensayos no con-templan toda la instalación de protección.8. Todos los sistemas de protección acabados en una o varias puntas que tienen como principio excitar y atraer el rayo, sean pasivos o activos, ionizan el aire generando chispas peligrosas y descargas de alta tensión, las instalaciones de protección externa del rayo están reguladas por normativas de baja tensión; Estos sistemas tendrían que ser utilizados fuera de las zonas de riesgo de explosiones, zonas urbanas o industriales. Su campo de aplicación seria ideal para garantizar zonas de captación de rayos, como por ejemplo los bosques, así se evitarían un gran numero de incendios .9. En las zonas urbanas e industriales tienen que ser protegidas con sistemas de pararrayos desionizadores de carga electroestática (pararrayos), donde la transferencia de carga electroestática será compensada pacíficamente en el tiempo real y no se representará la descarga visual del rayo ni sus fenómenos repercutidos de acoplamientos o inducciones.10. La eficacia de un sistema, se demuestra cumpliendo en el espacio tiempo el objetivo para lo cual ha sido diseñado, la aplicación en el campo de trabajo avalará su funcionamiento.
La gran pregunta que nos seguimos haciendo:
¿Por qué seguir instalando atrae-rayos ionizantes que atraen la descarga del rayo a una zona que queremos proteger?.
¿No seria mejor instalar los para-rayos desionizantes para eliminar la en nuestra zona de protección?
Información, noticias y actualizaciones de cómo efectuar una instalación de pararrayos que evita la caída del rayo y las repercusiones de su fenómeno, referencias de instalaciones efectuadas. www.rayos.info
Referencias bibliográficas
(1) Cambio climático. http://www.grida.no/climate/ipcc_tar/vol4/spanish/010.htm
(2) El sentido de la descarga del rayo http://www.cofis.es/pdf/fys/fys12_04.pdf.
(3) Estudio keraunico en una zona del Principado de Andorra.
http://www.rayos.info/estudio_rayo.htm
Gráficos de máxima y mínima temperatura , lluvia y nieve en el Principado de Andorra. www.rayos.info
(4) Exposición a campos electromagnéticos: características y restricciones para evitar perjuicios a la salud http://www.estrucplan.com.ar/Articulos/campose.asp
(5) Tesis doctoral en Medicina Doctor Cauman Laurent, " Los accidentes por fulminación ", en francés " Les accidents de la fulguration".
http://www.rayos.info/pagina_nueva_4.htm
(6) Las erupciones solares son alguna de las causantes del aumento de la saturación de la carga en la atmós-fera.
http://www.elmundo.es/elmundo/2002/05/10/ciencia/1020994850.html .
(7) Se espera una máxima actividad solar para el año 2012.
http://ciencia.nasa.gov/headlines/y2001/ast15feb_1.htm .
(8) solo en Brasil mueren cien personas por año.
http://www.terra.com.uy/canales/ciencias/25/25657.html
(9) Informe normativas de pararrayos ESE, PDC o PDA y nuevas directrices de investigación CT http://www.iie.org.mx/2001e/apli.pdf .
Redes de vigilancia de parámetros meteorológicos. http://www.cofis.es/pdf/fys/fys12_04.pdf
El choque del viento solar con la atmósfera altera las redes de comunicación en la Tierra. http://ciencia.msfc.nasa.gov/headlines/y2003/22apr_currentsheet.htm
Información complementaria y fotos de meteorología. www.meteored.com
Mapa dinámico de las ultimas 24 horas sobre la evolución de los impactos de rayos de toda Europa www.meteorage.fr
Mapa estático de las ultimas 24 horas que representa las zonas afectadas por rayos con intensidades y pola-ridad, preediciones , satélite, todo relacionado con la información meteorológica Instituto Nacional de Meteorología Español.
Modelos Conceptuales: Rayos (MCM2) Olinda Carretro Porris Francisco Martín León Servicio de Técnicas de Análisis y Predicción http://www.met.ed.ac.uk/calmet/conferences/calmet01/cd/vazquez/tor/tor.htm
Diferentes modelos de pararrayos. Facultad de Ciencias Exactas, Ingeniería y Agrimensura – Escuela de Ciencias Exactas y Naturales, Departamento de Física. http://www.fceia.unr.edu.ar/~fisica3/Tormentas.pdf
Los efectos secundarios derivados de la actividad eléctrica atmosférica Roy B. Carpenter, Jr. y Dr. Yinggang Tu. http://www.lecmex.com/4.html
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