Protección de edificios y estructuras de las descargas eléctricas atmosféricas. Parte 1

Introducción

En 1752, hace 250 años, Benjamín Franklin inventó el primer sistema de protección contra descargas eléctricas atmosféricas consistente en “una varilla metálica ubicada verticalmente en el exterior en un punto elevado, una varilla metálica hincada en tierra, y un conductor de conexión entre ambas”. Franklin había percibido que de esa manera las descargas atmosféricas incidían en la varilla elevada, siguiendo el camino de menor resistencia hacia tierra, y de esa manera se reducía la posibilidad de ocasionar daños en otros elementos circundantes. Dicho diseño aun sigue vigente en la actualidad.

Desde Franklin hasta nuestros días mucha ha sido la investigación realizada para intentar reducir las pérdidas ocasionadas por los rayos. Dichas pérdidas son muy importantes por lo que, despierta un gran interés cualquier diseño que permita reducirlas.

Pérdidas ocasionadas por las descargas eléctricas de origen atmosférico

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

En Estados Unidos las descargas eléctricas atmosféricas son responsables de cientos o miles de millones de dólares de pérdidas anuales. Por otra parte los rayos también causan incendios y desgracias personales por electrocución. El Servicio Meteorológico de Estados Unidos (National Weather Service) registró que, entre 1959 y 1994, los rayos causaron la muerte de 3.239 personas y provocaron lesiones a otras 9.818. Cada día se producen en todo el mundo alrededor de unas 2000 tormentas eléctricas que en cada segundo producen de 30 a 100 descargas atmosféricas de nubes a tierra, o sea alrededor de 5 millones en un día, lo cual indica que en cada instante hay muchas propiedades y personas amenazadas por el riesgo eléctrico de origen atmosférico.

Los niveles de protección

Puesto que es imposible evitar que se produzcan las descargas eléctricas de origen atmosférico 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 protección. El primero, al cual nos referimos en este artículo, consiste en establecer un camino directo a tierra para la corriente de descarga. Esta atracción o preferencia de que la descarga se produzca a través de un sistema de protección, evita que la misma incida directamente en otros puntos en los cuales podría ocasionar daños materiales o la electrocución de personas.

El segundo nivel de protección consiste en minimizar los efectos indirectos que puede causar una descarga eléctrica atmosférica mediante un adecuado diseño del recorrido de los elementos conductores que provienen del exterior, y que por lo tanto podrían captar, por fenómenos de inducción, parte de la energía disipada por una descarga. Estas medidas se complementan mediante la equipotencialización de elementos conductores y mediante blindajes adecuados.
Establecidas las dos barreras antes mencionadas, aun es posible que los pulsos inducidos por una descarga atmosférica, lleguen a través de los cables de suministro de energía eléctrica o por los conductores que traen las señales de comunicaciones telefónicas o de radio desde el exterior, y ocasionen daños a equipos o personas. El tercer nivel de protección consiste en instalar filtros o dispositivos descargadores en las entradas o salidas de información y/o energía de los equipos. Estos dispositivos, que absorben el exceso de energía proveniente de la perturbación, pueden ser parte de la instalación general (protectores primarios), o integrar cada equipo individual.

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

Carga eléctrica de la tierra

La tierra está cargada negativamente con una carga de alrededor de 1 millón de culombios, y una carga igual y positiva reside en la atmósfera. La resistividad de la atmósfera 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 más o menos constante. Esta región se conoce con el nombre de electrósfera. Existe una diferencia de potencial de aproximadamente 300.000 voltios entre la superficie de la tierra y la electrósfera lo cual da un campo eléctrico promedio de 6 voltios por metro. Cerca de la superficie de la tierra en un día de buen tiempo el campo eléctrico es de unos 100 voltios por metro. Debido a que la atmósfera no es un aislador perfecto, hay una pequeña corriente entre la tierra y la electrósfera. Las cargas eléctricas negativas emergen de la tierra y suben hacia la electrósfera. Dicha corriente es de unos 2000 amperios. Con dicha intensidad de corriente, si la tierra no se volviera a cargar negativamente, disiparía toda su carga en menos de una hora.

Pero las descargas eléctricas atmosféricas que se producen durante las tormentas, recargan la tierra restituyendo su carga negativa. No siempre las descargas atmosféricas 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.

Características de las descargas eléctricas atmosféricas

Si bien las teorías sobre la forma en que se generan las cargas en una nube de tormenta son muy especulativas, en cambio, las características eléctricas de las descargas que la acumulación de dichas cargas produce, son bastante bien conocidas debido a las investigaciones realizadas por científicos a lo largo de muchos años.

Las descargas eléctricas de origen atmosférico 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 preocupación para la aviación, pues se estima que un avión comercial recibe en promedio una descarga eléctrica de origen atmosférico por año.

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

Cuando las cargas negativas acumuladas en la parte inferior de una nube adquieren tal concentración que el campo eléctrico toma valores del orden de 3 o 4 kV por cm, comienza a producirse un proceso de ruptura dieléctrica del aire. Dicho proceso se produce en forma intermitente y escalonada. Cada escalón se va produciendo a continuación del anterior y va desarrollando una trayectoria ramificada de escasa luminosidad, que va descendiendo hacia tierra. La longitud típica de un escalón 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 eléctrico es suficiente para que desde determinados puntos de la tierra o desde edificios o estructuras, se produzca un proceso de ruptura dieléctrica 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, elevándose 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 dieléctrica del aire entre ellas, se unen los dos caminos ionizados, y se completa un camino conductor entre la nube y la tierra, produciéndose la primera descarga de retorno. Se denomina descarga de retorno pues su sentido de propagación 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 típica del canal es de 5 km (min. 2 y max. 14 km), y la duración del recorrido desde tierra hasta la nube es del orden de 70 microsegundos.

La intensa luminosidad de la descarga es acompañada eventualmente de intensas ondas sonoras denominadas trueno, provocadas por la expansión supersónica del aire que rodea al canal de la descarga eléctrica,
Después de la primera descarga de retorno, el fenómeno puede finalizar sin otras descargas, pero generalmente ello no es así. En efecto lo más común son los rayos de múltiples descargas. Típicamente 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 producción de las descargas sucesivas es el siguiente. Después de la primera descarga de retorno, se produce una predescarga descendente de nube a tierra, que se denomina trazador tipo dardo, llamado así 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 más altas de la nube.

Después 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 descripción precedente deja bien claro que el rayo es un proceso que comienza con la ionización 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 errónea 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 súbitamente se produce la ruptura dieléctrica del aire descargando la carga de la nube a tierra. En efecto, sabido es que el campo eléctrico que provoca la tensión disruptiva del aire seco a la presión atmosférica es

E = 3 x 10⁶ V / m

a una presión 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 súbitamente la ruptura dieléctrica del aire entre nube y tierra, atravesando una distancia de por ejemplo 10 kilómetros, el voltaje que se requeriría para ello sería de

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

Sin embargo los valores medidos en la práctica 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 dieléctrica del aire, y de esa manera, se va construyendo gradualmente un canal ionizado que cuando llega a tierra produce la descarga de retorno.
Corrientes eléctricas descargadas por un rayo Las corrientes que circulan durante las sucesivas descargas de retorno de un rayo, son muy intensas, tienen muy corta duración y su forma de onda muestra inicialmente un crecimiento muy empinado hasta alcanzar su pico máximo, seguido de un decrecimiento más lento. Las descargas atmosféricas son un evento estadístico, por lo tanto los valores de las magnitudes que las caracterizan están siempre asociados a una probabilidad de ocurrencia. En los rayos con múltiples descargas, la primera es la que drena la mayor corriente, siendo las siguientes de menor intensidad.
De acuerdo con la distribución de frecuencias de las corrientes de pico de las descargas eléctricas atmosféricas realizadas por distintos investigadores, la primera descarga de retorno tiene las siguientes características:
el 2 % tiene un pico de mas de 140 kA
el 10 % tiene un pico de más de 65 kA
el 50 % tiene un pico de más de 18 kA
el 90 % tiene un pico de más de 6,2 kA
el 98 % tiene un pico de más 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 rápido crecimiento inicial y en un tiempo del orden de unos pocos microsegundos llega a su máximo. Luego comienza a decrecer, y en unos 120 microsegundos transcurridos desde su inicio, la descarga cesa.
Si bien la energía disipada no es mucha, la potencia desarrollada en una descarga eléctrica atmosférica es muy grande, pues su elevada corriente se libera en muy corto tiempo. También las sobretensiones que aparecen en los cuerpos alcanzados por una descarga son elevadísimas pues aunque sólo se interpongan en su camino impedancias muy bajas, las elevadas corrientes del orden de los kA, producen caídas de tensión del orden de decenas o centenares de kV.

Modelos para estimar la zona de protección

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

Tiempo atrás se utilizaba el modelo del cono de protección, pero actualmente ha sido sustituido por el modelo de la esfera rodante que tiene una mayor fundamentación científica.

El modelo del cono de protección

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

El modelo de la esfera rodante

El punto exacto donde cae un rayo recién se define con el último escalón del trazador escalonado, y en esa definición es decisiva la longitud del último escalón. .
Por otra parte, la longitud del último escalón del trazador escalonado ha sido medida mediante métodos fotográficos, y se ha podido establecer que existe una correlación entre dicha longitud y la carga contenida en el canal de descarga. Como dicha carga, a su vez, está relacionada con la corriente descargada por el rayo, se tiene finalmente una relación entre la longitud del último escalón del trazador escalonado, y la corriente descargada por el rayo. Como ambos valores (la longitud del último escalón y la corriente de descarga del rayo), pueden ser medidos, se ha podido establecer una fórmula que relaciona a a ambos. La expresión general de dicha fórmula es la siguiente:

R_SD = K . I a

en la cual RSD es la longitud del último escalón, denominada también 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 penúltimo paso del trazador escalonado, la descarga puede caer en cualquier punto de una esfera de radio RSD . Por lo tanto la descarga se producirá en alguno de los puntos en que dicha esfera toque a la tierra o a una torre, mástil o conductor conectado a tierra.
Si se expresa RSD en metros e I en kA los valores de K y a, según lo determinado por distintos investigadores están comprendidos entre los siguientes límites:

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

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

R_SD = 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

R_SD = 10 . 10 ^0,65 = 45 metros

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

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 fórmula 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 más de 10 kA. Consecuentemente, existe un 96 % de probabilidades de que un rayo tenga una distancia de descarga de 45 ó más metros.
Por lo tanto podemos considerar, con un 96 % de probabilidad que los fenómenos de descargas eléctricas atmosféricas podrán hacer impacto en aquellos puntos en los cuales una esfera rodante de 45 o más metros de radio toca a la tierra ó a un conductor, mástil, 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 apoyándose 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 aplicación del modelo.

Partes que integran un sistema de protección

Un sistema de protección está integrado por las siguientes partes:
a. los dispositivos terminales para la intercepción de las descargas y los los conductores de interconexión 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 protección con la tierra

Los dispositivos terminales

Los dispositivos terminales para la intercepción de las descargas (Strike termination devices), son los componentes del sistema destinados a interceptar las descargas a los efectos de permitir su conducción a tierra a través de conductores apropiados. Los dispositivos terminales incluyen: terminales aéreos, mástiles metálicos, cables aéreos tendidos entre mástiles de soporte, partes metálicas estructurales del edificio, y dispositivos terminales especiales.
De las partes que constituyen un sistema de protección contra descargas eléctricas de origen atmosférico, el que más controversias provoca es el dispositivo terminal para la intercepción de descargas, principalmente debido a que muchos fabricantes ofrecen diseños especiales a los cuales les atribuyen propiedades que acrecientan la protección que puede brindar un simple pararrayos Franklin.
Veremos a continuación los distintos tipos de terminales para interceptar las descargas eléctricas de origen atmosférico.

Terminales aéreos

Un terminal aéreo (en inglés air terminal o lightning rod) es una punta metálica fabricada con un caño o una varilla maciza. La Norma NFPA 780 especifica la utilización de terminales aéreos distribuidos en los techos de los edificios, en cantidad y ubicación que la norma indica. En general un terminal aéreo es una punta, normalmente de baja altura, que sobresale no menos de 10 pulgadas (25 cm) por encima del área u objeto a proteger.

Mástiles

Un mástil metálico terminado en punta, es un dispositivo terminal cuya altura se determina a los efectos de crear una zona de seguridad de extensión suficiente para lograr una protección adecuada de la estructura. Tanto los terminales aéreos como los mástiles terminados en punta son dispositivos similares al pararrayos propuesto por Franklin

Cables aéreos tendidos entre mástiles

Un cable aéreo tendido entre mástiles, es un dispositivo terminal que en lugar de un punto, ofrece una línea para la intercepción de las descargas atmosféricas, y crea una zona de protección más extensa que la de una punta simple. Este dispositivo es extensamente usado por las empresas que suministran energía eléctrica, en sus estaciones y subestaciones de transformación exteriores y líneas de trasmisión.
También son utilizados para proteger estructuras que contienen inflamables o explosivos.

Por: Ing. Ind. Carlos Mártony