Doc.Estudio de Parrayos de Cebado 15.06.22

Pararrayos de Cebado
(Early Streamer Emision - ESE/Early
Streamer Emision Aerial Terminal - ESEAT)
Información general, Teorías,
Argumentos de Fabricantes, Controversias
y
Análisis
Recopilado y escrito por:
Ingeniero Omar Graterol (CIV: 16518)
Venezuela – Zulia - Maracaibo
Contenido
1.
2.
3.
4.
5.
Definiciones
Introducción
Objetivo
Información general sobre descargas atmosféricas
Estudio comparativo de puntas Franklin “Punta Aguda” vs “Punta
Redonda”
6. Revisión de principios, tipos y argumentaciones de los promotores de
pararrayos ESE
7. Historia de los conflictos de los fabricantes de ESE con las normas
NFPA, IEEE
8. Experiencias previas de protección y fallas de los ESE
9. Laboratorios de pruebas y prueba típica
10.Proliferación de marcas y modelos
11.Opinión generalizada de la comunidad científica acerca de argumentos
de los proponentes
12.Conclusiones y recomendaciones
13.Anexos y referencias
1. DEFINICIONES
Como una ayuda para los potenciales lectores, y en vista de que gran parte de la
documentación esta originada en idioma Ingles, y este documento está escrito en idioma
Español, a continuación en la Tabla 1.1 presentamos los términos de mayor uso en los dos
idiomas, dejando claro el sentido y uso que le damos a cada termino para su uso en este
documento:
Tabla 1.1 Definiciones con su correspondiente traducción como se usaran en este
documento
Termino en
Ingles
Early
streamer
emission air
terminal
(ESE / ESEAT)
Lightning rod
Primary
cloud-toground (CG)
lightning
stroke /
initial stroke/
Definición en Ingles
An air terminal
equipped with a
device that triggers
the early initiation of
the up\yard
connecting streamerleader discharge,
when compared with
a conventional air
terminal under the
same conditions.
A vertical conducting
rod used to attract (or
intercept) a lightning
strike by producing a
local enhancement of
the electric field
strength in air. It is
sometimes called a
Franklin rod,
conventional air
terminal, or lightning
conductor.
The initial discharge
between a
thundercloud and
ground that is
generally associated
Termino en
español
•Pararrayos de
cebado
•Pararrayos con
dispositivo de
cebado (PDC)
•Pararrayos
activos
•Pararrayos de
emisión
temprana (ESE)
Pararrayo o
Varilla de
Captación del
Rayo
Primera descarga
atmosférica
nube-tierra /
Impulso Inicial
del Rayo
Definición en Español
Terminal aéreo
(Pararrayo) equipado
con un dispositivo
para activar en forma
temprana la iniciación
del “líder de conexión”
ascendente, al
compararlos con un
terminal aéreo
convencional, bajo las
mismas condiciones
Punta vertical (varilla)
conductor usada para
atraer (O interceptar)
una descarga
atmosférica (Rayo),
produciendo un
aumento del campo
eléctrico del aire
cercano a la punta. Se
conoce como “Punta
Franklin”, “Terminal o
punta de pararrayos
convencional”
La descarga inicial
entre una nube de
tormenta y tierra, la
cual esta
generalmente
asociada con la
Termino en
Ingles
lightning
strike
lightning
flash
Flash of a
lightning
Definición en Ingles
Termino en
español
with the propagation
of a stepped leader.
propagación de un
líder o precursor
escalonado
Descarga Eléctrica Una descarga eléctrica
- Rayo
entre la atmosfera y
un objeto
An electric discharge
between the
atmosphere and an
object.
Lightning flash is used Descarga
to describe the entire atmosférica
discharge, which takes
on the order of 0.2
seconds. But a flash is
usually made up of
several shorter
discharges which last
less than 1 ms and
which repeat rapidly
enough that the eye
cannot resolve the
multiple events.
These individual
discharges are called
strokes. Sometimes
the strokes are
separated enough in
time for the eye to
resolve them, and the
lightning appears to
flicker.
Central channel of a
lightning
Relámpago
Definición en Español
Término usado para
describir el proceso
completo de la
descarga atmosférica,
la cual toma en el
orden de 0,2 seg. Pero
un destello
normalmente está
compuesto por varias
descargas las cuales
permanecen menos
de 1 ms y las mismas
se repiten tan
rápidamente que el
ojo humano no puede
distinguir los múltiples
eventos o descargas
que se suceden. Estas
descargas individuales
son llamadas impulsos
(Strokes), algunas
veces separados en el
tiempo, que el ojo
humano los capta
como un pestañeo
(Flicker).
Es el canal central o
camino que describe
la descarga eléctrica,
que origina la
luminosidad con
apariencia de un rayo,
producto de la energía
disipada en el espacio,
la cual viaja a la
Termino en
Ingles
Definición en Ingles
Termino en
español
Stepped
leader
Intense spark or
Líder escalonado
plasma channel of
finite but variable
length in air
corresponding to the
observed individual
steps in a lightning
stroke. This is
considered to be a
relatively hightemperature
discharge stage
heated by the passage
of an electrical
current pulse of high
magnitude
Streamer
A narrow, highly
directed, and selfpropagating discharge
in air. A streamer
develops from an
electron avalanche
when the local space
charge becomes of
sufficient density to
produce an electricfield strength
comparable to or
Corriente de
cargas eléctricas
Definición en Español
velocidad de la luz
(300.000 km/seg.),
que puede ser visto a
la distancia por el ojo
humano.
Gemelamente este
término se utiliza para
identificar descargas
que no caen a tierra
con lo cual se
distinguen de lo
conocido como
“Rayo”.
Carga en movimiento
que forma un arco
intenso o canal
plasmático, en el aire
de una determinada
pero variable longitud,
correspondiente a las
etapas individuales
observadas de una
descarga atmosférica.
Esta es una etapa de la
descarga, que origina
una temperatura
relativamente alta,
calentada por el paso
de pulsos de corriente
de alta magnitud
Una descarga en un
canal estrecho
(Narrow), altamente
direccionado, que se
propaga por sus
propios medios en el
aire. Corresponde a
una corriente de
cargas que se
desarrolla por una
avalancha de
electrones cuando la
Termino en
Ingles
Definición en Ingles
Termino en
español
greater than the
external field. It is
believed to propagate
at a high velocity by
the mechanism of
photoionization in
high-field regions
produced ahead of
the discharge. This is a
relatively cold
discharge
phenomenon that can
be the precursor to
the formation of a
leader step.
Return stroke This is a discharge
that propagates
upward from the
ground (or lightning
rod) in the channel
formed by the
primary downward
stroke. An individual
lightning event may
exhibit one or more
return strokes.
Impulso de
retorno /
Corriente de
retorno
Striking
distance
Distancia de
impacto
The distance covered
by the last leader step
of a downward
propagating primary
lightning stroke in
Definición en Español
carga local del espacio
se hace
suficientemente densa
para producir un
campo eléctrico de
intensidad superior o
comparable con el
campo eléctrico
externo. Se piensa que
se propaga a alta
velocidad por el
mecanismo de “Fotoionización”, en
regiones de alta
intensidad de campo
producida más allá de
la parte delantera de
la descarga. Esta es
una descarga
relativamente fría, que
puede llegar a ser el
precursor de la
formación de un líder
escalonado
Es una descarga que
se propaga hacia
arriba desde la tierra
(o una punta de
pararrayos) en el canal
formado por la
primera descarga
descendente. Un
evento de una
descarga individual,
puede tener uno o
más impulsos o
corrientes de retorno
Es la distancia cubierta
por el último salto del
líder escalonado de la
primera descarga
descendente que hace
Termino en
Ingles
Definición en Ingles
Termino en
español
making contact with a
grounded object
(lightning rod). This is
sometimes called the
final jump. This
distance varies with
type and intensity of
the lightning stroke.
Corona
discharge
A localized, cold
Descarga corona
discharge in air that
forms around objects
such as sharp
conducting points or
wires that produce an
enhancement in
electric field strength
sufficient to allow
ionization growth.
Corona is also
believed to form
around leader
channels. Corona is an
important source of
space charge at
ground level and is
sometimes called a
point discharge, or
partial discharge.
Under some
conditions it is the
precursor to streamer
formation
Zone of
protection
The volume
surrounding or
adjacent
to a lightning
protection system
Zona de
protección
Definición en Español
contacto con el objeto
(punta de pararrayos).
Esto algunas veces es
llamado “El ultimo
salto”. Esta distancia
varia con el tipo y la
intensidad de la
primera corriente de
retorno.
Descarga localizada
por efecto corona, que
es una descarga fría al
aire, que se forma
alrededor de objetos
conductores o
alambre de punta
aguda que produce
una intensificación del
campo eléctrico
suficiente para
permitir que la
ionización aumente.
También se piensa,
que se manifiesta el
efecto corona,
alrededor de los
canales del líder. El
efecto corona es una
importante fuente de
carga en el espacio a
nivel de tierra que
algunas veces es
llamado punto de
descarga. Bajo algunas
circunstancias, de la
formación de las
corrientes de cargas.
Es el volumen
alrededor o adyacente
a un “Sistema de
Protección Contra
Descargas
Termino en
Ingles
Cone of
protection
Rolling
sphere
method
Definición en Ingles
Termino en
español
that is presumed to
be substantially
immune to direct
lightning strikes. In
the case of air
terminals, this could
be defined as the
volume in which an
acceptably high
percentage of
lightning strokes will
attach to the rod as
opposed to other
locations upon
entering this volume.
A precise definition of
the zone of protection
and the
methods to be used
for its determination
remain subjects of
debate
A conic volume
Cono de
around a vertical
protección
lightning rod used to
define a region of
protection. This is a
cone whose height
equals the height of
the rod and whose
base has a radius
centered at the rod
and equal in length to
the height of the rod.
A method that
enables identification
of possible lightning
Método de la
esfera rodante /
Definición en Español
Atmosféricas” (SPCDA
o SPCR), el cual se
presume que es
substancialmente
inmune a impactos
directos del rayo. En el
caso de “terminales
Aéreos”, esta se
puede definir como el
volumen en el cual un
alto porcentaje
aceptable de rayos,
serán captados por la
punta aérea o
pararrayos, lo cual es
opuesto al volumen
que este fuera o que
traspase los límites de
este volumen
protegido.
Es el volumen cónico
alrededor de una
barra vertical o punta
de pararrayos, el cual
se usa para definir la
Zona de Protección,
este es un cono, cuya
altura es igual a la
altura de la punta del
pararrayos, cuya base
tiene un radio
centrado en el eje de
la punta del
pararrayos, y es igual
en longitud que la
altura de la punta del
pararrayos.
Un método que
permite la
identificación de
Termino en
Ingles
Definición en Ingles
attachment points by
imaging a sphere of
radius equal to the
assumed striking
distance that is rolled
over the exposed
surface area
surrounding a
structure (lightning
rod) [14]. Points
contacted by the
sphere on the surface
identify possible
lightning attachment
locations. It should be
noted that, although
the method identifies
possible attachment
points, it does not
give information
about the probability
of attachment to
these points
Lightning
attraction
efficiency
A measure of the
probability that a
lightning stroke will
attach to an air
terminal if it enters its
zone of protection,
e.g., a 90% efficiency
implies independent
of parameters such as
current and angle of
approach. There
seems to be no clear
consensus on this
definition; however,
Termino en
español
Método electro
geométrico
Eficiencia de
atracción de un
pararrayos
Definición en Español
posibles puntos de
impacto del rayo
mediante la imagen de
una esfera de radio
igual a la distancia de
impacto o radio de
protección, que se
hace rotar sobre el
área de superficie
expuesta que rodea
una estructura
(pararrayos). Con la
rotación de la esfera,
la misma no debe
tocar la estructura a
proteger, y donde
toque obliga a la
instalación de otra
punta o pararrayos.
Cabe señalar que,
aunque el método
identifica posibles
puntos de impacto del
rayo, no proporciona
información sobre la
probabilidad de
impacto en estos estos
puntos.
Una medida de la
probabilidad que una
descarga se captada
por la punta terminal
o pararrayos, siempre
y cuando la descarga
entre en su zona de
protección. Ejemplo
90% de eficiencia
significa que el 90% de
las descargas que
entren en la zona de
protección, sin
importar los
Termino en
Ingles
Definición en Ingles
Termino en
español
the above definition
will be used in this
report.
Onset field
The electric-field
strength above which
ionization growth
(electron-avalanche
formation) is possible
in air. This is
approximately 2.6
MV/m in dry air at
standard
temperature and
pressure
Campo eléctrico
de inicio, listo o a
punto
Time lag
The time between
when the field
strength first exceeds
the onset field and
when a discharge is
initiated. A distinction
is usually made
between the
statistical time lag (ts)
corresponding to time
of electron-avalanche
initiation and the
formative time lag (tf)
corresponding to the
time for complete
discharge (streamer
or leader) formation.
Usually
(tf) is much less than
(ts)
Tiempo en
retraso
Definición en Español
parámetros o
magnitud de la misma,
serán captadas por el
pararrayo. Aunque
parece que no hay
consenso con esta
definición, así está
establecido en las
normas, por ejemplo
la IEC-62305.
La fuerza del campo
eléctrico por encima
de la cual es posible el
crecimiento de
ionización (formación
de avalancha de
electrones) en el aire.
Esto es
aproximadamente 2.6
MV/m en aire seco a
temperatura y presión
estándar.
El tiempo entre
cuando la intensidad
del campo excede por
primera vez el campo
eléctrico de inicio (2,6
MV/m) y cuando se
inicia una descarga.
Por lo general, se hace
una distinción entre el
intervalo de tiempo
estadístico (ts)
correspondiente al
tiempo de inicio de
avalancha de
electrones y el
intervalo de tiempo
formativo (tf)
correspondiente al
tiempo para la
formación completa
Termino en
Ingles
Definición en Ingles
Space charge
Density of charged
particles (ions) in air
that modifies the local
electric field. The
existence of space
charge can have a
significant influence
on lightning
propagation.
Thundercloud A cloud containing a
charge density
sufficiently high to
allow formation of a
lightning stroke.
Cloud-tocloud (CC)
lightning
stroke
Lightning
dissipater
array
Electron
avalanche
Termino en
español
Carga espacial
Nube tormentosa
/ Nube de
tormenta
A lightning stroke
between
thunderclouds that
may or may not be
related to a cloud-toground stroke.
A system that
supposedly repels or
diverts lightning by
formation of space
charge such as from
corona discharge
generated by an array
of sharp metal
rods
Rayo de nube a
nube (CC) /
Descarga entre
nubes
An electron
multiplication process
due to electronimpact ionization of
gas molecules. This is
the initial stage in the
Avalancha de
electrones
Arreglo disipador
de rayos
Definición en Español
de descarga (Corriente
de cargas o líder).
Generalmente
(tf) es mucho menor
que (ts)
Densidad de partículas
cargadas (iones) en el
aire que modifica el
campo eléctrico local.
La existencia de carga
espacial puede tener
una influencia
significativa en la
propagación del rayo.
Una nube que
contiene una densidad
de carga lo
suficientemente alta
como para permitir la
formación de un rayo.
Un rayo entre nubes
de tormenta que
puede o no estar
relacionado con un
rayo de nube a tierra.
Un sistema que
supuestamente repele
o desvía los rayos
mediante la formación
de carga espacial,
como la descarga de
corona generada por
un conjunto de puntas
o alambres de metal
afiladas
Un proceso de
multiplicación de
electrones debido a la
ionización por impacto
de electrones de
moléculas de gas. Esta
Termino en
Ingles
Definición en Ingles
Termino en
español
development of an
electrical discharge in
air, e.g., a corona or
streamer.
Plasma
Definición en Español
es la etapa inicial en el
desarrollo de una
descarga eléctrica en
el aire, por ejemplo,
una corona o
serpentina.
Se denomina plasma
al cuarto estado de
agregación de la
materia, un estado
fluido similar al estado
gaseoso pero en el
cual, determinada
proporción de sus
partículas, están
cargadas
eléctricamente
(ionizadas), son
buenos conductores
eléctricos. Se puede
caracterizar como un
gas ionizado. Los
átomos en este estado
se mueven
libremente; cuanto
más alta es la
temperatura más
rápido se mueven los
átomos en el gas, y en
el momento de
colisionar la velocidad
es tan alta que se
produce un
desprendimiento de
electrones.
ionized air
plasma
The air around us is
filled with particles
such as dust, dander,
smoke, odors, and
even viruses and
bacteria. Ionization
helps reduce particles
in the air by
introducing ions into
the space. Air
filtration systems that
use this technology
are referred to as
ionization or plasma
air purification.
Link para
otras
definiciones
http://hyperphysics.phyastr.gsu.edu/hbase/electric/lightning2.html#c1
2. INTRODUCCIÓN
Este estudio titulado “Pararrayos de Cebado (Early Streamer Emision - ESE/Early Streamer Emision Aerial
Terminal – ESE-AT)”, que incluye temas de Información General, Teorías de la Formación de la Descarga,
Tecnologías de Protección Contra Descargas Atmosféricas, Argumentos de Fabricantes de las Diferentes
Tecnologías, Controversias y Análisis, surge como una necesidad identificada por el autor, en la
comunidad de ingenieros electricistas latinoamericanos o de habla hispana, agrupados para propósitos
de intercambio de información técnica en el área de Ingeniería Eléctrica, en la lista de correos Google,
“Lista Eléctrica Salvador Martínez (LESM)”, que desde los años de su inicio, aproximadamente 2005-2006,
agrupa a centenares de profesionales de la Ingeniería Eléctrica, los cuales entre otros temas de carácter
técnico, han estado planteando hilos de intercambio y preguntas sobre, la aplicación de pararrayos de
cebado o de tecnología “ESE”, para ser usados como terminales externos para protección contra
descargas atmosféricas (rayos), con radios de protección extendidos, según argumentos de los
promotores de estos dispositivos, generalmente distribuidores o representantes de fabricantes de
sistemas de protección de estructuras contra el rayo, quienes en la mayoría de los casos no dan
información técnica, sino más bien información de mercadeo, haciendo ver las ventajas, sin ningún
respaldo técnico, incluso con muy poca información sobre el cálculo o normas que respalden los
mismos, que dejan a cualquier profesional sin datos, herramientas o bases para analizar técnicamente
cualquier propuesta de uso de los mismos.
El planteamiento de estos temas en la Lista Eléctrica Salvado Martínez“ (LESM), los cuales se presentan
periódicamente en forma recurrente, demuestra el interés que hay sobre los mismos; por otra parte por
nuestra participación en la lista de correos de Google ”Lightning Protection”, dedicada exclusivamente a
difundir información y tratar temas sobre “Protecciones contra descargas atmosféricas”, en la cual
además de la divulgación general sobre descargas atmosféricas, protección de estructuras y personas,
también se han divulgado casos de impactos y fallas de los sistemas de protección, incluyendo fallas de
pararrayos de tecnología ESE o ESE-AT, o como se conocen en español “Pararrayos de Cebado” ò
“Pararrayos Activos”. Además de lo anterior, también se han divulgado los debates y gestiones de la
comunidad científica ante las asociaciones de normas internacionales, como son la NFPA, IEEE, IEC, y otras
organizaciones de normas europeas, con los proponentes y fabricantes de estas tecnologías, de cuyos
debates, se ha publicado un gran volumen de información técnica, con argumentaciones de parte y parte,
no obstante esta información técnica se encuentra dispersa en los diversos documentos, con mucha
información intermedia, en medio de debates que aún se consideran en desarrollo, además por su origen,
la gran mayoría de esta información está en idioma “Ingles”, por lo cual “El Autor” ha decidido desarrollar
el presente estudio, que está basado en la recopilación de gran parte de esta información, su análisis y
depuración, adaptación, traducción al español y aportes del “Autor”, en forma totalmente
independiente, y bajo su propia responsabilidad y dedicación, sin ningún patrocinio, que pueda desviar
la apreciación y los análisis particulares que el “Autor” pueda efectuar de la documentación consultada
y respectivamente referenciada.
Es importante aclarar, que este estudio está orientado para la comunidad de ingenieros electricistas u
otros profesionales interesados en el tema, que requieran de una referencia para una mejor comprensión
de las cualidades, requerimientos y normas para el diseño de sistemas de protección y selección de
pararrayos, que pudieran incluir el análisis de los pararrayos de cebado o ESE, o que requieran de una
formación básica adicional o impulso para su mejor formación en el tema, y puedan justificar
técnicamente potenciales evaluaciones que requieran desarrollar en este campo. A los colegas con mayor
experiencia, esperamos su mejor comprensión y análisis, y que también puedan sacar algún provecho,
por la recopilación y aportes del autor que están contenidos en este estudio, con un nivel técnico
moderado, sin las complicaciones de un mayor nivel de carácter científico, que haría de este estudio de
difícil difusión y comprensión en los medios prácticos en los cuales muchos de nosotros nos
desenvolvemos. Por otra parte siéntanse libres de hacer cualquier aporte adicional o comentario, con la
misma confianza, como si fuera un tema planteado en nuestra comunidad de la “Lista Eléctrica Salvado
Martínez“ (LESM), por lo cual quedo totalmente disponible para cualquier ampliación o intercambio
adicional.
3. OBJETIVO
Como objetivo de este estudio está planteado, la divulgación y análisis de los principales estudios y
documentos, y traducción parcial de los mismos, que han sido utilizados por las partes interesadas, en las
normas nacionales e internacionales dedicadas a los sistemas de protección contra descargas
atmosféricas (SPCDA) o sistemas de protección contra el rayo (SPCR), incluyendo documentos que
respaldan los investigadores técnicos y científicos que están en contra de la inclusión en las normas NFPA
y IEEE, de “Terminales externos de Cebado”, ESE/ESES-AT o pararrayos activos, con argumentos por parte
de los promotores y fabricantes de los mismos, que le adjudican un mayor alcance o radio de atracción
comparados con los terminales aéreos o puntas Franklin tradicionales, incluyendo documentos de los
promotores de estos dispositivos, que han estado impulsando su inclusión y aceptación por parte de las
normas NFPA y IEEE, sin dejar por fuera la interpretación de algunas normas que han servido de apoyo
para las argumentaciones de los fabricantes sobre, la aceptación de esta tecnología o métodos de
protección, usando pararrayos o puntas aéreas de captación, como son la NFC-17-102-1995 y 2012, junto
con algunas normas nacionales de países de habla hispana como por ejemplo la UNE-21186 - 2011de
España.
4. INFORMACIÓN GENERAL SOBRE DESCARGAS ATMOSFÉRICAS
Como información general sobre descargas atmosféricas, sus características y propiedades, incluiremos
teorías sobre sus procesos de formación, y los principios de protección, debemos destacar que existe
mucha información en INTERNET, mucha de la cual se puede considerar no confiable, porque
simplemente puede estar sesgada hacia la argumentación que se quiera respaldar, en todo caso en esta
sección solo incluimos información que pueda estar relacionada con futuros análisis de los procesos de
formación de la descarga, y los principales parámetros de los dispositivos de protección, debidamente
respaldada o proveniente de libros y expertos en esta materia, generalmente profesores de
universidades reconocidas y con reconocimiento particular de la comunidad científica, entre ellos se
destacan:
a. Martin A. Umán, Ph.D., profesor en ejercicio en la Universidad de Florida, autor del libro “The Art
and Science of Lightning Protection”, publicado por: CAMBRIDGE UNIVERSITY PRESS.
b. Vladimir A. Rakov, Ph.D. Professor, Co-Director of ICLRT Department of Electrical and Computer
Engineering University of Florida
c. Abdul M. Mousa, Ph.D. from the University of British Columbia, Vancouver, Canada. Consultant
(Retired from BC Hydro) Coquitlam, BC, Canada
d. Zainal. A. Hartono, Bachelor Degree, from University of Loughborough – Malaysia -Experienced
lightning protection consultant/expert and researcher. Senior Member of the IEEE (USA), member
of the EMC Society and member of the CIGRE Working Group C4.410 "Lightning Striking
Characteristics to Very High Structures".
e. Donald W. Zipse, ([email protected]) is with Electrical Forensics, LLC, Wilmington, Delaware. He
is a Life Fellow of the IEEE.
f. Horacio Torres Sánchez, ingeniero electricista de la Universidad Nacional de Colombia sede
Bogotá (1975), magíster en Sistemas de Potencia de la U. N. (1985), doctorado en la Universidad
Técnica de Darmstadt (1978-1983). Profesor emérito de la Universidad Nacional de Colombia
desde 2002 y forma parte del grupo de investigación PAAS-UN . Miembro y responsable del grupo
C4.4.04 “Lightning in Tropical Regions” del comité de estudio C4B de CIGRE.
Ver en el Anexo # 1, Listado consultores internacionales y documentos en el área de protección contra
descargas atmosféricas, consultados, de referencia y que permiten ampliar conocimientos sobre el tema
en estudio.
En todo caso, antes de entrar en la exposición central de esta sección, queremos desatacar como una
característica importante del proceso de descargas atmosféricas, es su complejidad, el cual es
reconocido como un fenómeno de carácter aleatorio, imposible de predecir, que responde a muchas
variables, algunas de ellas o su mayoría no controlables por el ser humano, cuyos análisis se pueden
estudiar en términos de probabilidad o estadísticos y no con fórmulas matemáticas exactas.
4.1. Revisión de los Conceptos Básicos de las Descargas Atmosféricas
Como parte de esta revisión, se incluyen los siguientes aspectos:
 Formación y Generalidades
 Parámetros Principales
 Estadísticas Regionales
4.1.1. Formación y Generalidades
La base para cualquier análisis es la comprensión del fenómeno y todos los procesos relacionados
con el objetivo del análisis de las descargas atmosféricas, por lo cual aquí incluiremos los aspectos
básicos, para facilitar esta comprensión.
Iniciamos con lo que podemos considerar la descripción de una descarga atmosférica, que nos
permita identificar los diferentes tipos de descargas atmosféricas:
 Descarga atmosférica: Una descarga atmosférica, es un fenómeno natural, de carácter
aleatorio, en el cual , los cuales al final del proceso se igualan temporalmente, cesando así la
circulación de cargas, y la liberación instantánea de inmensas cantidades de energía, que se
manifiesta ante los sentidos del observador como una arco o canal luminoso seguido de un
trueno. Estos arcos o canal luminosos, pueden llegar a tener una longitud típica de 1 km, no
obstante estos arcos que se originan en regiones estacionales, con las tormentas en época del
verano, se caracterizan por tener longitudes entre 5 y 10 Km. Ver en la Figura 4.1.1.1. Ejemplo
de una descarga atmosférica Nube-Tierra
Figura 4.1.1.1. Ejemplo de una descarga atmosférica Nube a Tierra
Estas descargas pueden producir una amplia gama de radiación electromagnética, entre ellas,
un canal plasmático muy caliente creado por el movimiento rápido de electrones hasta
originar destellos brillantes de luz visible en forma de radiación de cuerpo negro (Rayos o
relámpagos). Los arcos generados provocan truenos, el cual es un sonido de la onda de choque
que se desarrolla a medida que los gases en las proximidades del arco de la descarga
experimentan un aumento repentino de temperatura y presión. Los rayos ocurren
comúnmente durante tormentas eléctricas y otros fenómenos meteorológicos.
 Tipos de descargas atmosféricas:
Según se puede observar en la Figura 4.1.1.2. además de la formación de cargas en una nube
de tormenta, están identificados los diferentes tipos de descargas que se originan, según su
punto de origen y punto de llegada, en la cual se pueden observar:
o Descargas dentro de las nubes (Intranube).
o Descargas nube a nube.
o Descargas nube al aire.
o Descargas nube a tierra (Positivas y negativas)
Además de los tipos de descargas anteriores, se han identificado descargas en dirección de la
tierra a las nubes (Descargas subiendo), que generalmente ocurren en estructuras esbeltas,
de mucha altura (mayores a 200 m).
En todo caso, el mayor interés desde el punto de vista de protección contra descargas
atmosféricas son las descargas nube a tierra, dado que el mayor riesgo, se presenta en
estructuras, animales y seres humanos ubicados a nivel de la superficie de la tierra y sus
diferentes edificaciones; no obstante lo anterior las descargas intranubes, y de nube a nube,
son analizadas cuando se trata de aeronaves, aviones y vehículos lanzados al espacio.
De estos tipos de descargas, los que más nos interesan son las descargas nube a tierra, que
del total general de descargas representan aproximadamente el 20 %, y del total de descargas
a tierra entre el 5 y el 15% son descargas a tierra positivas, por lo cual entre 85 y 95% son
descargas negativas.
Figura 4.1.1.2. Tipos de descargas según punto de origen y llegada
Tomado y adaptado de la “Enciclopedia Británica” - Ver figura original en:
https://www.britannica.com/science/lightning-meteorology
 Campo eléctrico cerca de la superficie del terreno en condiciones normales: Es importante
destacar que antes de presentarse las nubes cargadas electrostáticamente, o sea en
condiciones ambientales normales, existe un campo eléctrico cercano a la superficie de la
tierra, en el rango de 0-30 V/m como promedio en muchas regiones, pero en algunas regiones
el rango puede estar entre 0-100 V/m, siempre cerca de la superficie de la tierra, este campo
eléctrico que parcialmente puede ser originado por el efecto de radiación cósmica y radiactiva,
ioniza el aire, mediante la cual se forman cantidades iguales de iones pequeños positivos y
negativos de tamaño molecular. El otro proceso que complementa la formación de este
campo eléctrico cercano a la tierra, que en condiciones normales llega hasta los 100 V/m,
proviene de las cargas remanentes en la parte superior de las nubes, al completarse el proceso
de las descargas intranubes y a tierra; originando que el aire se haga (débilmente)
eléctricamente conductor. La movilidad de estas partículas cargadas eléctricamente depende
en gran medida de su tamaño y de la densidad del medio. La movilidad de estos iones
pequeños en la atmósfera inferior corresponde a una velocidad (terminal) de
aproximadamente 1 cm/s en un campo eléctrico de 100 V/m.
Sobre este tema, cuyos datos e información pueden servir para posteriores análisis en este
documento, copio las fórmulas para la cuantificación de los iones en condiciones normales,
que corresponden a un campo eléctrico cercano a los 100 V/m. Estas fórmulas y parte de este
contenido fueron tomadas de la página “Fair-weather atmospheric electricity”, cuyo link es
el siguiente:
https://web.archive.org/web/20070523235301/http://www.ava.fmi.fi/~tjt/fairw.html
q = an2 + bnN ----------------------------------------------------- FORMULA – 1
Donde:
q = Cantidad de iones por metro cubico con permanencia de 1 s, en: Iones/m3/s
a y b = Coeficientes de recombinación / Valores típicos = 1,6x10-12 m3/s
n = Densidad de iones pequeños (ambas polaridades)/ ………………………….
Valores típicos = 5x108 Iones/m3 (Originados por radiación cósmica)
N= Densidad de iones por efecto “Aerosol”/ Valores típicos = 10x1010 Iones/m3
Como ejemplo se indica que en el Sur de Finlandia la cantidad de iones con permanencia
de 1 s (q Finlandia = 6,6x106 Iones/m3/s)
Nota: Se puede ver según los datos anteriores, que la cantidad de iones por efecto
aerosol (Partículas de polvo, contaminantes y otras partículas livianas en suspensión),
es mucho mayor que los Iones pequeños originados por efecto de radiación cósmica
 Formación de las descargas atmosféricas: En las primeras etapas de desarrollo, el aire actúa como
un aislante entre las cargas positivas y negativas en la nube y entre la nube y el suelo. Cuando las
cargas opuestas se acumulan lo suficiente, esta capacidad aislante del aire se rompe y hay una
descarga rápida de electricidad, de origen electrostático. Como una referencia, el voltaje de ruptura
entre electrodos paralelos planos separados por 1 cm a temperatura y presión atmosférica estándar
a nivel de la superficie terrestre, es de 30 kV., o sea 30 kV/cm. El concepto de formación de la
descarga anterior, es una forma general de explicar el proceso, no obstante en mucha de la literatura
consultada, se define este proceso por etapas, de las cuales podemos resumir el proceso de formación
de la descarga nube-tierra, ya de una forma más detallada de la siguiente forma:
 (a) Formación de las nubes de tormenta: Como parte de los procesos naturales existentes en la
atmosfera, existe un intercambio de energía, entre las diferentes capas que integran la atmosfera y
la superficie de la tierra, durante el cual por efectos de los rayos solares sobre la superficie de la tierra,
origina partículas de aire caliente, más livianas que las mismas partículas de aire alejadas de la
superficie de la tierra, las cuales ascienden para iniciar el proceso de formación de las nubes de
tormenta; una vez iniciado el proceso de formación de las nubes de tormenta, dentro las cuales por
diferencia de temperatura, originan movimiento de partículas de aire hacia arriba, creando una
corriente ascendente de grandes proporciones, que se mueve en forma rápida hacia regiones más
frías de la atmósfera. Las partículas de aire en la medida en que ascienden, a mayores alturas, donde
existen temperaturas entre -5 y -40 oC, por condensación pueden formar gotas de agua, y estas
últimas forman cristales de hielo. En este proceso, una nube de tormenta puede alcanzar, en su parte
superior, hasta 7,5 km de altitud según datos promedio, con máximos cercanos a los 10.0 km. La parte
inferior de la nube de tormenta, se puede ubicar entre 1,0 y 2,0 km de altura sobre el suelo, según
las condiciones de presión y vientos (ver Figura 4.1.1.), donde además de los centros de carga están
representadas las alturas típicas.
Cubren áreas del terreno entre 6 y 10 km de radio. Según diferentes investigaciones, y/o autores, se
ha determinado que el comportamiento típico de una nube de tormenta, clasificada como pequeña,
origina una descarga atmosférica a tierra, cada 20 o 30 segundos, por un periodo de actividad entre
40 y 60 minutos. Esta formación de nubes, típicas de tormentas eléctricas, o nubes de tormenta, se
conocen como “Cumulonimbos”, las cuales son la fuente principal de las descargas atmosféricas.
 (b) Separación de cargas en las nubes: Como resultado del proceso de formación de las nubes, las
cargas eléctricas en la nube se encuentran distribuidas en forma no homogénea, existiendo por
consiguiente concentraciones desiguales de carga a lo interno de las mismas. En esta distribución
desigual de cargas, se estima que entre el 85.% y 95% de las nubes poseen la concentración de cargas
negativas en su parte inferior. La explicación del porqué de esta distribución, es que en el proceso de
formación de las nubes, las colisiones entre las partículas que forman la masa de la nube, entre ellas
gotas de agua y cristales de hielo, dan origen a la separación de cargas, y a la distribución no
homogénea de las mismas a lo interno de las nubes, impulsando los cristales de hielo (como partículas
más livianas) o cargas positivas (q+) hacia la parte superior de las nubes y gotas de agua (q-), partículas
más pesadas hacia la parte inferior.
 (c) Formación del campo eléctrico entre nube y tierra: Como consecuencia de la separación de cargas
se incrementa el campo eléctrico entre nube y tierra, formando dos placas electrostáticas entre la
nube y tierra, siendo la parte inferior de la nube la placa “negativa” y la superficie de la tierra, en la
zona de influencia de la nube, la placa “positiva
Los centros de carga de la nube de tormenta que son el resultado de la separación de cargas (Ver Figura
4.1.1.2.), se acumulan decenas de culombios de electricidad, los cuales originan los diferente tipos de
descargas atmosféricas; destacando que la separación de cargas, y la formación del campo eléctrico,
proceso previo a las descargas atmosféricas, implica movimiento de cargas, las cuales en su expresión
nominal o elemental, son movimiento de electrones (corriente electrónica o corriente eléctrica de
signo negativo). Por lo tanto, los electrones libres son los principales contribuyentes a las corrientes del
rayo. En un rayo negativo de nube a tierra, los electrones libres sobrepasan la región de carga positiva
más baja, neutralizando la mayor parte de su pequeña carga positiva, y luego continúan su viaje hacia
el suelo. Estas cargas, cuya carga negativa y (movimiento de electrones) por unidad está estimada en:
 1 electrón = 1,6 x 10-19 Culòmbios
 1 Amperio = 1 Culòmbios/seg
 1 Amperio = 6,24 1018 electrones/seg
Las relaciones anteriores, permiten visualizar la gran cantidad de electrones, o de iones negativos,
que se requieren para hacer circular una corriente en los niveles conocidos que se presentan en las
descargas atmosféricas para las diferentes etapas del proceso, considerando que la duración de las
mismas se estima en microsegundos y en milisegundos, como lo veremos más adelante en el proceso
la descarga después de la formación del campo eléctrico.
Las descargas “Intranubes”, “Entre nubes” y “Nubes al aire”, son conocidos como “Relámpagos” o
destellos luminosos, mucho más abundantes que las descargas “Nube a tierra”. Las descargas
intranubes causan la neutralización mutua de los centros de carga dentro de las nubes, igualando
temporalmente las regiones cargadas en la atmósfera hasta que las cargas opuestas se acumulan
nuevamente; el centro de carga inferior también se descarga al suelo, descargas “Nube a tierra”,
generalmente mediante descargas negativas, que forman destellos luminosos de mayor longitud,
conocidos como “Rayos”, los cuales a su vez, transfieren cargas positivas a la superficie de la tierra,
en su proceso de intercambio de cargas. Después de todo este proceso, queda un exceso de carga en
el centro positivo superior, el cual migra a campos cercanos externos a la nube y junto con las
pequeñas corrientes de la radiación cósmica, incluyendo la ionización de otras partículas, aportan al
campo eléctrico que se refleja en las cercanías a la superficie de la tierra, el cual en condiciones
normales; es decir sin la presencia de nubes de tormenta, se han logrado medir valores promedios
máximos de 100 V/ m. Teniendo como base las condiciones normales en las cuales el campo eléctrico
es muy bajo, una vez que se forman las nubes de tormenta, se han medido valores del campo eléctrico
total entre 1 y 2x105 V/m con valores máximos de 4x105 V/m, los cuales se consideran por debajo de
los valores de campo eléctrico mínimo, requerido para originar la rotura del dieléctrico o el arco
inicial estimado en 106 V/m (Un millón de V/m o 1 Mvoltio/m). En todo caso se han sugerido dos
mecanismos para la iniciación de la descarga, que se mencionan a continuación:
(a) Emisión de corrientes con cargas positivas provenientes de “Hidrometeoros” cuando el campo
excede de 2,3 a 9,5 x 105 V/m.
(b) Aporte de alta energía mediante partículas de rayos cósmicos al tener valores de campo eléctrico,
cercanos a 105 V/m, a una cierta altitud.
 Proceso de la descarga atmosférica: El proceso de la descarga atmosférica, considerando por
separado la formación de las nubes, la separación de cargas y la formación del campo eléctrico, se
inicia con el primer movimiento de cargas del líder o precursor descendiente (stepped leader), semilla
u origen del rayo, el cual significa una carga o grupo de cargas que inicia su camino de la nube a tierra,
con pasos escalonados. En todo caso como referencia del campo eléctrico o diferencia de potencial
que puede existir entre la punta del líder escalonado y la superficie de la tierra, es de unas decenas
de Mvoltios/m. Por otra parte, cada descarga de nube a tierra, implica una energía a nivel de las
nubes en el orden de 109 Joules. Tenga en cuenta que no toda la energía del rayo acumulada en la
nube, está disponible en el punto de impacto, en el cual solo 10-2-10-3 de la energía total en Joules
estará presente, ya que la mayor parte de su energía se gasta en todo su trayecto, para el movimiento
de las cargas, producir truenos, aire caliente, luz y ondas de radio. Como ya se ha establecido, que las
descargas negativas son el tipo más común de descarga atmosférica, constituido por los rayos entre
una nube tormentosa y la superficie de la Tierra, las cuales representan entre el 85% y el 95% de todas
las descargas de rayos que involucran a la tierra como punto de impacto, y que se originan en la nube.
Antes de formarse el canal luminoso central conocido como rayo, muy visible por el ojo humano, que
también da origen al trueno, una serie de saltos o pasos aleatorios de cargas que van bajando en
forma sucesiva (Precursor o líder escalonado), cierran la brecha entre la parte baja de la nube y tierra,
con pasos o saltos cuya luminosidad se ha logrado medir y corresponde a recorridos escalonados de
50 m. de longitud, con pausas intercaladas entre cada salto o etapa de avance, recorriendo un espacio
de entre 1 y 2 km hasta que se rompe el dieléctrico muy cerca de la superficie de la tierra o de la
estructura que capta la descarga. A lo largo de este proceso se emiten destellos con ramificaciones
hacia abajo, de muy baja luminosidad, que en la mayoría de los casos no es visible por el ojo humano.
Cada salto o etapa del líder escalonado, origina una luminosidad, que se puede observar con cámaras
especiales, cuya luminosidad tiene una duración de 1µseg. o menos. El tiempo entre saltos, se ha
observado que tiene una extensión de unos 50 µseg. cuando el precursor o líder escalonado está lejos
de la superficie de la tierra, pero se reduce a unos 10 µseg. al estar cerca de la tierra o del punto de
encuentro entre líderes bajando y subiendo. El promedio de velocidad de la parte baja de cada
escalón del líder bajando hacia la superficie de la tierra, es de 2 x 105 m/seg (200 km/seg), con la cual
resulta que para hacer el recorrido desde la nube a tierra, el líder escalonado se toma 20 mseg., bajo
ciertas condiciones de la nube de tormenta y considerando que el recorrido desde la nube a tierra no
es una línea recta (Según esto, en el recorrido se estima un promedio de 4 km en línea recta). Un líder
escalonado típico tiene alrededor de 5 culombios de carga negativa, distribuida en toda su longitud
cuando está cerca del suelo. Para establecer esta carga en el canal del líder debe fluir una corriente
promedio de aproximadamente 100 a 200 amperios durante todo el proceso del líder. Las corrientes
pulsantes que fluyen en la generación de los pasos del líder tienen una corriente máxima del orden
de 1000 amperios. Cada paso de líder produce un pulso de luz visible, pulso de energía de
radiofrecuencia y pulso de rayos X . Se ha medido el diámetro luminoso del líder escalonado, según
análisis grafico de fotografías tomadas con cámaras especializadas, y se ha concluido que puede estar
entre 1 y 10 m. Sin embargo, se piensa que la mayoría de la corriente del líder escalonado fluye por
un núcleo conductor mucho más estrecho, de solo unos pocos centímetros de diámetro basado en
el centro del líder observado. El gran diámetro fotografiado probablemente se debe a una "corona"
luminosa, o una descarga eléctrica de bajo nivel rodeando el núcleo conductor. Cuando el líder
escalonado está cerca del suelo, su carga negativa relativamente grande, induce (atrae) una carga
positiva concentrada en la superficie de la tierra conductora debajo de ella y especialmente en objetos
que se proyectan sobre la superficie de la tierra.
La rotura del dieléctrico es el momento en que este líder o precursor que va bajando, se encuentra
con el líder ascendente, que se forma por la intensidad del campo eléctrico, ahora mucho mayor
por la cercanía del líder o precursor que viene bajando, y la ionización producida por la intensidad
del campo eléctrico en las estructuras, puntas de captación o en la superficie de la tierra. Este
movimiento de cargas, que involucra electrones o iones positivos y negativos, que tiene como
principal origen las diferencias del campo eléctrico, se ve impulsado por la lluvia de rayos cósmicos
en el área de la descarga y la generación de iones positivos y negativos por el choque entre electrones
libres y moléculas de aire, que también generan electrones, y siguen generando estas cargas que
entran en el movimiento general de cargas, que terminan en la unión de los lideres bajando y
subiendo, y como consecuencia de esta unión se origina la rotura del dieléctrico y la formación del
arco, que se puede observar en el canal del rayo. Todo este proceso, desde que el líder semilla del
rayo, cuando inicia su recorrido en la parte baja o media baja de la nube, hasta que ocurren las
descargas de retorno (1ra y 2da) puede durar unos 62,05 ms, según se puede ver en la Figura 4.1.1.3.,
cuya imagen fue tomada y adaptada del libro “The Art and Science of Lightning Protection” de Umán.
Figura 4.1.1.3. Desarrollo de la descarga atmosférica de nube a tierra - Tomada y adaptada del
libro “The Art and Science of Lightning Protection” de Umán
En la Figura 4.1.1.3., después de la unión de los líderes bajando y subiendo, se inicia el proceso de
intercambio de cargas, cuyo canal central origina la luminosidad conocida como el rayo, la cual viaja
en el espacio a la velocidad de la luz (300.000 km/seg.), que puede ser visto a la distancia por el ojo
humano. En este canal central se establecen las corrientes de cargas o aportes desde tierra (Cargas
positivas), conocido como las corrientes de retorno. La rotura del dieléctrico, además de generar una
serie de fenómenos electromagnéticos, que hoy en día son utilizados por sistemas de medición de los
parámetros de las descargas atmosféricas, origina ondas de choque debido al calentamiento violento
de la masa de aire (hasta 30.000 oK), cuyos aumentos bruscos de presión en el área del arco (hasta 10
atm de presión o 1 megapascal), también originan el trueno, ruido en forma de aplausos de
frecuencias graves, que viaja a la velocidad del sonido (aproximadamente 333 m/seg o 3 seg/km) y
que también es detectado por el oído humano.
Las diferencias entre la velocidad de la luz y la velocidad del sonido, producidas por un rayo, permiten
establecer reglas prácticas para la estimación de la distancia a la cual ocurre un rayo, desde un punto
cualquiera en el cual un observador puede ver el rayo luminoso y posteriormente logra oír el sonido,
la diferencia de tiempo entre las dos percepciones del observador, permiten establecer la distancia;
en la Figura 4.1.1.4., se puede observar un ejemplo práctico de la aplicación de este método de
medición.
Figura 4.1.1.4. Ejemplo de medición por diferencia entre vista del rayo y oído del sonido. Tomado y
adaptado
de
la
“Enciclopedia
Británica”
Ver
figura
original
en:
https://www.britannica.com/science/lightning-meteorology
Según Rakov y Uman (2003), cualquier descarga eléctrica auto sostenida o auto propagante que crea un canal
con una conductividad eléctrica del orden de 104 S/m (comparable a la del carbón) se denomina "líder
escalonado o precursores", que son corrientes de cargas "Streamers"; por otro lado, se caracterizan por una
conductividad eléctrica mucho más baja, el aire detrás o en los alrededores de la punta del "líder escalonado
o precursores", el cual sigue siendo esencialmente un aislante (Bazelyan et al., 1978). La descarga por efecto
corona o puntual puede consistir en numerosos líderes escalonados individuales, que se manifiestan en la
vecindad inmediata de un "electrodo", estructura, o punta de captación, o cualquier objeto conectado a tierra.
Vale la pena señalar que los términos “líder” y “streamer” en la literatura sobre rayos a veces se usan
indistintamente, en la mayoría de los casos el término “streamer” se usa para denotar un líder de baja
luminosidad, particularmente el "líder de conexión ascendente" - Referencia tomada de: Lightning Parameters
for
Engineering
Applications
Working
Group
C4.407
August
2013.
https://www.researchgate.net/publication/283303928_Lightning_Parameters_for_Engineering_Applications
 Proceso de conexión de las dos corrientes
Debido a que parte de los análisis propuestos en este estudio, están relacionados con dispositivos de cebado,
en los cuales los fabricantes e impulsores argumentan ventajas en este “Proceso de conexión de las dos
corrientes”, conocido en inglés como “Runaway breakdown” o rotura del dieléctrico, vamos a detallarlo,
basado en documento “Lightning Parameters for Engineering Applications Recent Updates and Outlook” y
“The Physics of Lightning” publicados por Vladimir A. Rakov, posterior en los años 2012 y 2013, de los cuales
integrando algunos conceptos sobre este tema, tenemos lo siguiente:
El proceso de conexión de las dos corrientes, o del momento en el cual el líder bajando conecta con el líder
subiendo y que finalmente hace que el rayo llegue o impacte al suelo o a un objeto conectado a tierra, es uno
de los procesos menos entendidos y poco documentados de la descarga de rayos de nube a tierra. Este
proceso es de mucho interés para juzgar o analizar la efectividad de cualquier punta de captación, ya que de
la interacción de las puntas de captación y este proceso, depende que las puntas cumplan su objetivo de
captación y protección de una estructura; en el mismo, generalmente se supone que los lideres descendentes
o trazadores negativos atraen un líder positivo de conexión ascendente (UCL), lo cual constituye la llamada
fase de avance (por ejemplo, Rakov, 2013). Hasta la fecha, la fase de avance (también conocida como el salto
final) junto con el líder de conexión subiendo (UCL), se han observado como procesos con arcos o chispas de
cierta longitud, (por ejemplo, Lebedev et al., 2007; Shcherbakov et al., 2007), con descargas activadas por
medio de cohetes y cables de conexión (por ejemplo, Biagi et al., 2009), pero no en rayos naturales. Además,
los datos disponibles sobre el proceso del líder de conexión ascendente (UCL), se basan principalmente en
observaciones de rayos en estructuras altas (p. ej., Lu et al., 2013), en las cuales el arco o las chispas del líder
de conexión ascendente (UCL) es muy largo, y no está claro si estas observaciones son aplicables a estructuras
de altura moderada.
Generalmente se supone que el proceso de conexión comienza cuando se inicia el movimiento del líder de
conexión ascendente, en respuesta a la aproximación del líder de conexión descendente que se mueve hacia
el suelo, o más probablemente, hacia la punta de un objeto que sobresale del suelo, que puede ser una punta
de captación, hasta formar la zona común de las dos corrientes. Ver en la Figura 4.1.1.5 , un ejemplo de las
imágenes de este proceso de conexión de las dos corrientes, para una descarga activada mediante un cohete
y para el caso de simulación del este proceso en el laboratorio.
Ver la secuencia de imágenes, con la explicación que está a continuación de las mismas.
Figura 4.1.1.4 Imágenes sobre la fase de avance del proceso de conexión en rayos activados por cohetes y
según simulaciones de laboratorio. Tomada y adaptadas por el autor, del articulo “Lightning Parameters for
Engineering Applications : Recent Updates and Outlook publicado por Vladimir A. Rakov
En (a) se muestra la imagen original del cuadro de video tomado con una cámara de alta velocidad, con un
tiempo de integración de 20 μs, justo antes del cuadro de la corriente de retorno de una descarga negativa.
Paneles (b) y (c) son cuadros individuales de dos arcos de descargas negativas. Simuladas en el laboratorio,
capturadas por la cámara con convertidor de imagen, con duraciones de cuadro de 2 μs y 0.2 μs,
respectivamente. Estas imágenes (a), (b) y (c), según el artículo de Vladimir A. Rakov, fueron tomadas de Biagi
et al.(2009), Lebedev et al. (2007), y Shcherbakov et al. (2007), respectivamente. Adaptado de Tran y Rakov
(2015).
En este proceso de conexión de las dos corrientes, es posible que se puedan activar dos o más líderes de
conexión ascendentes desde el suelo hacia el líder de conexión descendente, lo cual puede ser en respuesta
a diferentes ramas o derivaciones del líder de conexión descendente. Un líder ascendente que hace el
contacto con una rama de un líder descendente se denomina líder de conexión ascendente. En este momento,
se supone que la fase de ruptura comienza cuando la conductividad relativamente baja de las zonas por
delante de las dos puntas de los líderes en movimiento, se encuentran para formar un canal o zona común de
las dos corrientes. La posterior extensión acelerada de los dos canales de plasma (gas ionizado), de
conductividad relativamente alta, cada uno hacia el otro, se lleva a cabo dentro de la zona común de las
corrientes en el canal. El avance de esta fase se puede ver como la operación de cierre del interruptor que
sirve para lanzar dos impulsos de ondas de corriente de retorno desde el punto de conexión entre los dos
canales de plasma. Una onda se mueve hacia abajo, hacia el suelo, y la otra hacia arriba, hacia la nube. La
onda o impulso de retorno de movimiento descendente llega rápidamente al suelo, y como resultado se
origina la onda o impulso de retorno reflejada hacia arriba desde el suelo, que luego se une con la onda o
impulso de retorno hacia arriba desde el punto de unión. Este último es el caso porque la onda reflejada de la
tierra se propaga en el canal del impulso de retorno acondicionado, y por lo tanto, es probable que se mueva
más rápido que la onda ascendente desde el punto de unión que se propaga a lo largo del canal del líder
acondicionado (Rakov 1998). Cuando las ondas rebotan entre los extremos del canal de retorno, se forma una
sola onda ascendente. Por lo tanto, el proceso de conexión del rayo involucra los dos canales de plasma que
avanzan uno hacia el otro.
En todo caso, como ya se indicó en la sección anterior, como parte de este proceso y analizando desde otro
punto de vista, el inicio del movimiento del líder ascendente, se origina con la 1ras. descargas por efecto
corona que se manifiestan en la vecindad inmediata de un "electrodo", estructura, punta de captación, o
cualquier objeto conectado a tierra. De acuerdo con este análisis, y según lo indicado en el documento “There
Is No Magic To Lightning Protection: Charge Transfer Systems Do Not Prevent Lightning Strikes” publicado por
William Rison, Professor of Electrical Engineering, del “New Mexico Institute of Mining and Technology” of
New Mexico”, la fuerza que impulsa la corriente de iones de la descarga por efecto corona desde un punto
por debajo de una tormenta eléctrica es la fuerza del campo dieléctrico originada por la concentración de
carga negativa (caso mayoritario) en la base de una nube tormentosa. El campo eléctrico en la cercanía del
suelo de esta concentración de cargas negativas, en ambiente de tormenta eléctrica, es típicamente de 2,000
a 5,000 V/m; no obstante se han medido campos tan fuertes en el orden de los 30,000 V/m, pero estos últimos
ocurren de forma excepcional. Cuando el campo eléctrico por debajo de una nube de tormenta eléctrica
alcanza aproximadamente 1,000 V/m, los objetos de puntas agudas, comienzan a emitir corriente originada
por el efecto corona. Los portadores de carga en la corriente que se establece por efecto corona no son
electrones libres que puedan alejarse rápidamente de la punta que los emite, en su mayoría son iones,
típicamente moléculas aire ionizado, o de sus componentes, nitrógeno y oxígeno ionizados, que se liberan y
propagan lentamente en la atmósfera, al tiempo que chocan con otras moléculas o partículas de aire o de sus
componentes ionizados. El movimiento de los iones en un campo eléctrico es bien conocido. Estos iones se
mueven a una velocidad de aproximadamente 10 m/seg bajo las fuerzas inducidas por el campo eléctrico
existente cerca del suelo. Así, en 10 segundos, los iones pueden moverse unos 100 metros, por lo que se
estima que la carga espacial de la corriente originada por efecto corona, se limita a una región de unos 100
metros por encima de la punta que los emite. La corriente originada por el efecto corona no puede
mantenerse después de que el campo eléctrico se reduzca a valores por debajo de los 1,000 V / metro
necesarios para iniciarlo o para su mantenimiento en el tiempo. La misma corriente de iones, generalmente
positivos, puede contribuir a bajar el campo eléctrico a valores por debajo de 1000V/m, en la cercanía a la
superficie de la tierra, o alrededor de la punta captadora o la punta que inicia el efecto corona, disipando las
cargas iniciales, pero como esto es un proceso cíclico en función de los pasos o saltos del líder descendente,
el efecto corona se reinicia, posiblemente con mayor potencial de cargas, hasta que se logra el contacto entre
el líder descendente y el líder ascendente, o la conexión entre las dos corrientes. No obstante lo anterior, que
se refiere a iones producto del efecto corona, en un proceso de conexión entre las dos corrientes, la del líder
descendente y la del líder ascendente, destacando que según el documento “Non Conventional Lightning
Protection Systems”, de Vernon Cooray, de la Uppsala University, Uppsala, Sweden, presentado en la
conferencia de la ICLP del añó 2010, en el cual entre otros detalles que más adelante presentaremos como
parte del análisis de la efectividad de los ESE, indica que la mayoría de la velocidad de los líder de conexión
ascendentes, reportada en la literatura son provenientes de descargas activadas por cohetes o para descargas
iniciadas desde tierra. En estos casos los líderes de conexión ascendentes, se mueven en un campo eléctrico,
que no es el mismo que existe en una descarga que ocurra como un proceso natural, y cuyo campo sea el
producto de un líder escalonado descendente, cuyas velocidades no son relevantes, para el caso de estudio
que se propone en este documento. Por el contrario, si puede ser una buena referencia, las mediciones de
velocidad, efectuadas por Yokoyama, orientadas a medir la velocidad de un líder de conexión ascendente
iniciada en una torre de 80 m de alto, como resultado de un campo eléctrico generado por un líder de conexión
descendente, en un proceso natural para una descarga atmosférica. En cuatro de los ejemplos, o mediciones
efectuadas en sus estudios, encontraron que las velocidades de los líder de conexión ascendentes, justo antes
de la conexión con el líder descendente, fue de 1,3x106 m/s, 1,4x106 m/s, 2,9x106 m/s y 0,5x106 m/s, no
obstante la velocidad promedio en todas estas mediciones, considerando todo su recorrido, esta entre 0,8x105
y 2,7x105 m/s. Más aun, los líderes de conexión fotografiados en el estudio, los cuales como se indicó, se
efectuaron en torres de 80 m de alto, y conociendo que los líderes de conexión de estas estructuras altas, se
le asignan recorridos relativamente más largos que los líderes de conexión originados en estructuras de más
baja altura, es importante destacar que por ser su recorrido más largo, tienen mayor tiempo para elevar la
temperatura del canal, lo cual les permite moverse más rápido, a mayor velocidad.
Por otra parte, como para confirmar las referencias de velocidad donde se indican valores más bajos, muy
probablemente medidos en estructuras más bajas, Becerra and Cooray, indican que la velocidad de los líderes
de conexión subiendo, es de 104 m/s, inmediatamente después del inicio del proceso de conexión, y en la
medida en que la longitud o el recorrido del líder, esta aumenta a valores cercanos a 105 m/s. Esto último
también indica que la velocidad promedio está en el orden de 1x105 m/s., lo cual indica que cualquier análisis
que se haga de este proceso, especialmente para determinar el espacio recorrido, con base a la velocidad, se
debe usar es la velocidad promedio y en general del caso más representativo que se esté analizando.
Como otra fuente de información o referencia sobre la velocidad de los líderes de conexión subiendo, en la
Figura 4.1.1.6, se incluye un gráfico de velocidad (V) del movimiento versus la altura de los lideres ascendente
y descendente, original de documento CIGRE, tomado de la presentación del estudio de la NORMA TECNICA
COLOMBIANA DE PROTECCIÓN CONTRA RAYOS - Filosofía y Resultados, presentada por Horacio TorresSánchez, de la Universidad Nacional de Colombia – Julio 2006.
Figura 4.1.1.6 - Gráfico de velocidad (V) del movimiento versus la altura de los líderes ascendente y
descendente
De la Figura 4.1.1.6, tomando el valor de las velocidades máximo y mínimo, del líder ascendente, hemos
incluido en la Tabla 4.1.1.1 dichos valores, con los cuales se determinó la velocidad promedio, dato muy
importante para futuros análisis de los pararrayos de cebado, objeto de este documento.
Tabla 4.1.1.1 Valores de velocidad del líder de conexión ascendente según pruebas reportadas en la Figura
4.1.1.5
Vmin.
Vmax.
Promedio
4
4,00E+04
60
6,00E+05
32
3,20E+05
Cm/µseg.
m/seg.
Cm/µseg.
m/seg.
Cm/µseg.
m/seg.
Es importante destacar que la velocidad promedio determinada según la gráfica de la Figura 4.1.1.5, y que está
indicada en la Tabla 4.1.1.1, calculada en 3,2 x 105 m/seg, está en el orden del rango indicado por Yokoyama,
que indico como velocidad promedio entre 0,8 y 2,7 x 105 m/seg; también está en el rango con el valor
promedio indicado por Becerra y Cooray, quienes indicaron una velocidad promedio en el orden de 1x105
m/seg.; por lo cual cualquier análisis de los pararrayos de cebado se debe hacer con esta velocidad promedio,
o sea 3,2x105 m/seg., cuyos valores están respaldados por estudios de estos autores respectivamente
reconocidos, y respaldados por la comunidad científica que se ha dedicado a estudiar este tema.
4.1.2.
Parámetros de las descargas atmosféricas
Como se puede ver en la sección anterior, se dieron una serie de parámetros relacionados con el proceso
de formación de la descarga, que pueden ser útiles para la comprensión y el análisis planteado en este
documento, la mayoría de ellos resaltados en letras negrita o rojo, no obstante en esta sección
incluiremos algunos parámetros adicionales, especialmente datos requeridos para el diseño de un
sistema de protección, de los cuales algunos de ellos serán usados como referencia para los análisis de
efectividad de los “Pararrayos de Cebado” que incluiremos es secciones posteriores.
a) Parámetros de las descargas atmosféricas, según niveles de protección. Como fin primordial de
este estudio, que incluye la evaluación de los pararrayos de cebado, está el determinar la
efectividad de los mismos para su integración a los sistemas de protección, por lo cual es
importante tener presentes los parámetros de las descargas atmosféricas, asociados a los niveles
de protección, los cuales son una clasificación que se le ha dado a los sistemas de protección,
para orientar los diseños según los riesgos determinados por los procedimientos
correspondientes, para lo cual vamos a presentar la información que sobre este punto está
disponible en la norma IEC-62305. En este sentido a continuación la Tabla 4.1.2.1, que incluye,
los parámetros de descargas atmosféricas según niveles de protección, tomados de la norma IEC62305.
Tabla 4.1.2.1, Parámetros de descargas atmosféricas según niveles de protección – Datos tomados de
la IEC-62305-1 – Tabla 5.
b) Densidad de descargas atmosféricas a tierra - Estadísticas Regionales
En esta sección se incluirán datos de descargas atmosféricas de diferentes regiones, especialmente datos de
mapas ceràunicos expresados en Días de Tormenta – Año (DTA), destacando que para obtener resultados
confiables, solo deben contarse los días de tormenta, en los cuales se oiga el trueno, y además se vea el relámpago,
o de densidad de descargas a tierra en Desc./Km2/Año (DDA), incluyendo algunas fórmulas adoptadas en los
diferentes países según estudios particulares:
 Caso Venezuela
Para el caso Venezuela, es importante destacar que en la Norma NTF-599-2 de Fondo Norma, se incluyó una
fórmula para relacionar los DTA con la DDA, cuya aplicación recomiendan según el Anexo A1 de la mencionada
norma, usar cuando no se tenga el mapa con la DDA, y basado en los DTA, se calcule la densidad. La fórmula
en cuestión es la Siguiente:
DDA=0,05*DTA0,73 ……………………………………………………………………………………………………..Formula 1
No obstante que la formula anterior, es una formula oficial que proviene de una norma oficial venezolana, y
observando el propio mapa de DDA incluido en la norma, la misma no aplica para regiones del país con densidades
de descargas Año (DDA) mayor 3,71 Desc. Km2-año, para cuyo resultado, aplicando la fórmula de la norma, se
requieren 365 DTA (todos los días del año con descargas atmosféricas), lo cual es imposible y no existe zona en
Venezuela que tenga 365 DTA (Tormentas todos los días del año).
Dado el comentario del párrafo anterior, no se recomienda el uso de la fórmula para ningún diseño en Venezuela,
y menos en el estado Zulia, donde según el mapa de la propia norma sobre DDA, varia entre 8 y 22 Desc.Km2-Año,
ya que aplicando la formula no hay forma de obtener los resultados o valores de DDA indicados, ya que para lograr
entre 8 y 22 Desc.Km2-Año, se requieren según la formula entre 1045 y 4179 DTA. En las Figura 4.1.2.1 se presenta
el mapa “Densidad de Descargas Atmosféricas a Tierra”, tomado de la norma Venezolana NTF-599-2 Anexo A1,
publicada en el año 2013, que es hasta ahora lo más confiable para cualquier diseño en Venezuela, ya que el
mismo es el resultado de mediciones efectuadas con el sistema de detección nacional, durante los años 2001 2003. Se destaca además que en diferentes documentos se indica que estas fórmulas son aproximadas y que lo
mejor es usar la informsoación con datos de mediciones directas, como son los datos incluidos en el mapa de
densidad de descargas atmosféricas a tierra de cada región o país.
Adicionalmente y solo como referencia, en la Figura 4.1.2.2, se incluye el mapa Ceraúnico, días de tormenta año
(DT), que se usó durante muchos años en Venezuela.
Figura 4.1.2.1 Mapa de densidad de descargas atmosféricas (DDA) – Tomado de la norma NTF-599-2 – Anexo
1A.
Figura 4.1.2.2 Mapa isoceraunico de Venezuela (DT) – Tomado de la norma NTF-599-2 – Anexo 1A. Basado en
Mapa Isoceraùnico de Venezuela -Lapso de (1951-1970)
c) Distancia de impacto
La distancia de impacto es la distancia entre la punta del líder descendente de una descarga atmosférica, y la
estructura puesta a tierra, punta captadora o al terreno donde impacta la descarga, lo cual constituye el último
salto de la descarga. Esta distancia puede ser igual o menor que el radio de atracción, el cual depende de la
corriente de la 1ra. descarga de retorno, y es la base con la cual se determinaron los “radios de la esfera rodante”
para cada nivel de protección indicados en la Tabla 4.1.2.1 según el método electro geométrico adoptado por la
IEC-62305. Los parámetros que determinan el radio de atracción han sido derivados de diversos estudios según
los cuales se han propuesto diferentes fórmulas de cálculo; sin embargo la fórmula adoptada por CIGRE y la IEC62305, se indica a continuación:
Ra = 10*I0,65 ………………………………………………………………………………..……..Formula 2
El radio de la esfera rodante para cada nivel de protección, se calcula con la corriente mínima correspondiente a
cada nivel de protección, aplicando la Formula 2.
5. ESTUDIO COMPARATIVO DE PUNTAS FRANKLIN “PUNTA AGUDA” VS “PUNTA REDONDA”
Esta sección, estará basada en el documento “The Case for Using Blunt-Tipped Lightning Rods as Strike Receptors”
publicado por C. B. MOORE, G. D. AULICH, AND WILLIAM RISON del Langmuir Laboratory for Atmospheric
Research, New Mexico Institute of Mining and Technology, Socorro, New Mexico – del año 2003, el cual se refiere
a estudios comparativos de campo, efectuados con estos dos tipos de puntas Franklin o puntas captadoras de
pararrayos tradicionales (Puntas redondeadas y puntas agudas). La importancia del estudio y los datos resultantes
para el objetivo del presente documento, es que se evalúan aspectos relacionados con el efecto corona, y su
potencial aplicación a pararrayos de cebado tipo Early Streamer Emision (ESE) o a pararrayos de ionización tipo
Charge Transfer System (CTS), previamente conocidos como DAS.
Aunque muchos de los pararrayos actualmente en uso son de puntas agudas, las cualidades de las mismas, nunca
se han establecido como una ventaja o beneficio en la captación de las descargas. Esta forma puntiaguda del
pararrayo originado con los estudios y experiencias de Benjamín Franklin en los años 1750, quien originalmente
especuló que las emisiones de las puntas agudas evitarían los rayos al descargar nubes cargadas
electrostáticamente; sin embargo durante sus experimentos, no logró prevenir o evitar las descargas sino que en
cambio, sirvió como receptor. De hecho, en esta era moderna, a raíz de las investigaciones y la comprensión del
fenómeno de las descargas atmosféricas, muchos estudios ratifican que la función de los pararrayos, es servir
únicamente como receptores de rayos en los sistemas de protección, los cuales captan y conducen las descargas
a la tierra, protegiendo así las estructuras en las que están instalados. En todo caso, las varillas de captación de
punta aguda siguen siendo utilizadas comúnmente. Es importante destacar en todos los años pasados desde las
experiencias de Franklin, no se han presentado evidencias creíbles de que, de alguna forma, las varillas o
pararrayos puedan descargar una nube o prevenir la formación de una descarga atmosférica.
5.1.
Resumen del documento de referencia – Estudios de campo
 Hasta 1930 no se conocía el rol de las puntas de pararrayos en el proceso de iniciación de las descargas;
sin embargo se había apreciado que el campo eléctrico se intensificaba en la cercanía y alrededor de los
pararrayos expuestos o colocados por debajo de las nubes de tormentas, así como fue inferido por
Benjamín Franklin, corrientes eléctricas fluyen desde las puntas de pararrayos al estar conectadas a tierra
y expuestas por debajo de las nubes.
 Como un ejemplo de la emisión de corrientes desde una barra de captación tipo Franklin de punta aguda
(Barra de 12,7 mm de Ø), montada en un campo de prueba cerca de la cúspide de las montañas
“Magdalena” en la parte Centro-Occidental de Nuevo Mexico, debidamente instrumentada para la
medición de parámetros de las descargas, registró los valores de corriente y cargas emitidas por la punta,
unos 30 seg antes del inicio de la corriente de retorno, de una descarga que impactó en la cercanía de
esta punta aguda instrumentada, registro una carga emitida de 6 nC (nano-Culombios), y la duración de
cada impulso fue de 2 µseg. con pausas de 15 µseg.
 En el caso de una barra de captación tipo Franklin con punta redonda (Barra de 19 mm de Ø), en el mismo
campo de pruebas, con un campo eléctrico muy intenso, se registraron impulsos con una duración de 2
µseg., similares en tiempo de permanencia a la punta aguda, pero con una carga de 600 nC, y cuando el
campo se hizo más intenso, llegando a valores de 40 kV/m, la cantidad de carga aumentó a 15 µC, con
impulsos de una duración de 20 µseg., todo esto justo antes del inicio de la corriente de retorno que
impacto otra punta cercana separada 40 m desde la punta instrumentada.
 En las Figuras 5.1.1. y 5.1.2., se muestran los gráficos de los registros de corriente, tiempo y campo
eléctrico de las pruebas y mediciones indicados de la punta aguda.
Figuras 5.1.1. Registro de corrientes ascendentes por efecto corona y aplicación de campo eléctrico en
punta de captación aguda – Tomada y adaptada del documento “The Case for Using Blunt-Tipped
Lightning Rods as Strike Receptors” publicado por C. B. MOORE, G. D. AULICH, AND WILLIAM RISON del
Langmuir Laboratory for Atmospheric Research, New Mexico Institute of Mining and Technology, Socorro,
New Mexico – del año 2003
Figura 5.1.2. Registro de corrientes ascendentes por efecto corona y aplicación de campo eléctrico en punta
de captación aguda – Vista expandida del momento antes de la activación de la corriente de retorno –
Tomada y adaptada del documento “The Case for Using Blunt-Tipped Lightning Rods as Strike Receptors”
publicado por C. B. MOORE, G. D. AULICH, AND WILLIAM RISON del Langmuir Laboratory for Atmospheric
Research, New Mexico Institute of Mining and Technology, Socorro, New Mexico – del año 2003
Para propósitos de comparación y según las pruebas y registros efectuados según las investigaciones
mencionadas, en la Figura 5.1.3. se presentan los registros de los impulsos de corriente, tiempo y campo
eléctrico, de una punta redonda.
Es importante destacar, según se indica en el documento de referencia, que durante 46 años, ninguna de las
puntas instrumentadas para medición de corrientes y de campo eléctrico, ha sido impactada por una descarga
atmosférica, sin embargo, las mediciones de los campos e impulsos de corriente de la descarga en formación,
se han logrado efectuar.
Figura 5.1.3. Registro de corrientes ascendentes por efecto corona y aplicación de campo eléctrico en punta
de captación redonda – Momento antes de la activación de la corriente de retorno – Tomada y adaptada del
documento “The Case for Using Blunt-Tipped Lightning Rods as Strike Receptors” publicado por C. B.
MOORE, G. D. AULICH, AND WILLIAM RISON del Langmuir Laboratory for Atmospheric Research, New
Mexico Institute of Mining and Technology, Socorro, New Mexico – del año 2003
5.2. Resumen del documento de referencia – Estudios de laboratorio
Debido a que los impactos de rayos a campo abierto en una determinada región son tan infrecuentes, estos
estudios consumen mucho tiempo, por lo cual resulta más rápido para la comparación del comportamiento de
diferentes tipos de puntas, obtener resultados según estudios de laboratorio, mediante el uso de un generador
de alta tensión, con un par de electrodos en un ambiente controlado. Cuyas pruebas y resultados se pueden
considerar confiables, siempre y cuando los laboratorios sean reconocidos, como en el caso de las pruebas
indicadas en el documento, para lo cual se utilizaron laboratorios respaldados por el sello Underwriters
Laboratories (UL), con los más altos estándares técnicos y rigores de este tipo de pruebas.
En estas pruebas fueron evaluadas diferentes tipos de puntas (aguda y redonda), con diferentes diámetros, de las
cuales se puede resumir lo siguiente:
i) Prueba de punta aguda de 12,7 mm de Ø, con un generador Van De Graaff, calibrado a una distancia de 262
cm, al someter la punta en un campo eléctrico de 100 Kv/m, se registró la emisión de impulsos de cargas de
0,7 nC, con una frecuencia de 550 pulsos/seg, y una duración de 0,4 µseg., con corrientes pico de corta
duración entre 2 y 13 mA.. Ver Figura 5.2.1. , con los registros de esta prueba
Figura 5.2.1. Registros de impulsos de corriente y carga en prueba de punta aguda
ii) Prueba de punta redonda de 12,7 mm de Ø, con un generador Van De Graaff, calibrado a una distancia de
262 cm, al campo eléctrico en el ambiente del laboratorio, fue necesario subir a 228 kV/m, se registró la
emisión de impulsos de cargas de 26 nC, con una frecuencia de 27 pulsos/seg, también con corrientes pico
de corta duración entre 80 y 120 mA. . Ver Figura 5.2.2., con los registros de esta prueba.
Figura 5.2.2. Registros de impulsos de corriente y carga en prueba de punta redonda
El documento de referencia, contiene otros ejemplos de pruebas y mediciones comparativas entre los dos (2)
tipos de puntas, aguda y redonda, pero para el objetivo de este documento, los dos ejemplos mostrados son
suficientes, las otras pruebas, comparan el comportamiento entre estos dos tipos de puntas pero con diferentes
diámetros, especialmente para las puntas tipo redondas, se determinó, que con diámetros por encima de los 51
mm, no ioniza fácilmente; además se determinó que para las puntas agudas, son más efectivas puntas entre 12,7
mm (1/2”) y 19 mm (3/4”), con un diámetro promedio que se recomienda como mejor selección de 16 mm
(5/8”).
En resumen sobre estas pruebas se puede destacar lo siguiente:
a. No fueron posibles, pruebas de los dos (2) tipos de puntas con el mismo campo eléctrico
b. En la prueba de la puna aguda, con el generador a máxima velocidad, se logró incrementar los impulsos
de corriente a 4 µA, sin posibilidad de lograr el aumento del campo eléctrico, por encima del valor de
campo en el cual estas puntas inician el proceso repetitivo de los impulsos de carga, cuya magnitud está
en el orden de los 100 kV/m, el cual se registró en la cercanía de la punta.
c. En las puntas redondas, un campo eléctrico en el orden de los 100 kV/m, no es suficiente para la
iniciación de los impulsos de descargas, para lo cual fueron requeridos campos por encima de 200 kV/m.
Otro aspecto importante que se puede destacar de la comparación de los resultados de estas pruebas, es la
cantidad de impulsos de cargas por seg., para las puntas agudas, se observa un proceso de emisión de cargas de
muy alta frecuencia (550 pulsos/seg.); mientras que para las puntas redondas la emisión de cargas tiene
frecuencias mucho más bajas (17 pulsos/seg.).
En relación con las cargas por impulso, las puntas agudas solo emiten cargas en el orden de los 6,8 nC por pulso,
lo cual representan corrientes pico de 2 a 13 mA; mientras que las puntas redondas emiten cargas en el orden de
los 26 nC por pulso, con corrientes pico entre 80 y 120 mA.
5.3. Resumen del documento de referencia – Análisis de descargas en las puntas agudas
Como un resumen de este análisis, a continuación los aspectos más importantes que pueden ser importantes para
el análisis objeto de este documento.
a. Cuando la punta de un conductor es expuesta a un campo electrostático, el campo eléctrico en la punta
del conductor se intensifica.
b. Cuando el campo eléctrico externo del propio ambiente supera los 60 kV/m, el campo eléctrico
intensificado en la cercanía de la punta, a unos pocos mm sobre la punta, para una punta con curvatura
o conicidad de 0,02 a 13 mm, este campo inicialmente se hace mayor a 6,8 MV/m, de tal forma que en
esta región los iones negativos, pueden originar electrones libres para los correspondientes impulsos o
avalancha de electrones.
c. Los iones positivos que se forman como consecuencia de la avalancha de electrones alrededor de la
punta, constituyen la carga de esa región y actúan para limitar el campo eléctrico local, por lo cual se
oponen a la continuación del proceso para mantener la avalancha de electrones; sin embargo si el
campo eléctrico externo es lo suficientemente intenso, pueden originar más electrones libres que
actuaran sobre la punta, creando nuevas avalanchas y regiones de iones positivos más alejadas de la
punta, lo cual puede culminar en la formación de las corrientes de conexión ascendentes, que se
propagan en la dirección del campo eléctrico externo.
5.4. Resumen del documento de referencia – Otras pruebas de campo
Otras pruebas de campo, con una buena cantidad de puntas agudas y redondas, instaladas a lo largo y ancho de
un campo con una separación de 5,3 m, en el pico South Balde de Nuevo México US, que se mantuvieron en
pruebas durante unos 7 años antes desde el año 2000, dieron como resultado lo siguiente:
a. 13 puntas redondas fueron impactadas.
b. Los diámetros de las puntas impactadas estaban comprendidos entre 12,7 mm (1/2”) y 25,4 mm (1”).
Ver en la Figura 5.4.1, una muestra de las puntas redondas con sus diferentes diámetros, impactadas por
descargas atmosféricas.
c. Ninguna de las puntas agudas fueron impactadas.
Figura 5.4.1 Puntas redondas de diferentes diámetros
impactadas por descargas atmosféricas en las pruebas de campo
del pico South Balde de Nuevo México US
5.5. Resumen del documento de referencia – Conclusiones
sobre estudio comparativo de puntas Franklin, puntas agudas y puntas redondas
Aunque ya se han mencionado algunas conclusiones como parte de las diferentes secciones del documento de
referencia, a continuación las principales conclusiones del documento:
a. Las pruebas de campo y los análisis descritos aquí apoyan la idea de que se puede mejorar la efectividad
de los pararrayos, con una mejor elección de forma de la punta de los pararrayos. Aunque las puntas
agudas son muy efectivas para causar ionización del aire cuando están expuestos a fuertes campos
eléctricos y son útiles como receptores de las descargas cuando están más altas que el resto de las
instalaciones existentes, dentro de lo que se conoce como radio de atracción; o sea sin puntas
competidoras cercanas, las puntas agudas son menos efectivas como receptoras de descargas
atmosféricas, cuando compiten por la recepción de descargas atmosféricas con puntas redondas que
estén a su misma altura de instalación, y dentro de su radio de atracción.
b. Esta diferencia es causada por el rápido debilitamiento con la distancia, de los campos electrostáticos
alrededor de las puntas agudas (Son mucho más propensas a ionizar el aire en la cercanía de su punta,
por el efecto corona, cuyos iones contribuyen a disminuir el campo eléctrico cercano a la punta); a
distancias de unos pocos milímetros de estas puntas, los campos pueden ser demasiado débiles para el
desarrollo de corrientes ascendentes como resultado de la rápida limitación o disminución del campo
eléctrico alrededor de las puntas y de los campos electrostáticos que se hacen más débiles en las regiones
un poco más alejadas de la punta. El desarrollo de las corrientes ascendentes, hacia el campo
electrostático que origina todo el proceso, en estas puntas agudas, requiere una intensificación rápida
mayor del campo eléctrico externo, en comparación con las puntas redondas, porque la ionización por
efecto corona que se forma en la punta redonda es menor o requiere más intensidad de campo para su
formación, que alrededor de varillas o puntas agudas.
6.
RESÙMEN DE PRINCIPIOS, TIPOS DE ESE Y ARGUMENTACIONES DE SUS
PROMOTORES
En esta sección presentaremos un resumen de los principios, tipos y argumentaciones de los promotores de
pararrayos ESE, extraídos de algunos documentos publicados sobre este tema, entre ellos, del documento que
utilizaremos como referencia, “Early Streamer Emission
Lightning Protection Systems: An Overview”, publicado por R. J. Van Brunt, T. L. Nelson, and K. L. Stricklett National Institute of Standards and Technology (NIST)- January/February 2000 - Vol. 16. No, 1 – IEEE Electrical
Insulation Magazin – Feature Article, destacando que sobre este tema de los pararrayos ESE, existe cantidad
de información en la red, y gran parte de los mismos, han sido impulsados por los propios fabricantes, o por
los que se oponen a su aceptación como sistemas de protección contra descargas atmosféricas, por lo cual es
importante seleccionar la documentación que pueda servir de respaldo para cualquier análisis que se pueda
efectuar, especialmente en este caso, donde hay proponentes y opositores, hemos seleccionado este
documento como referencia, porque consideramos su neutralidad y confianza en los análisis efectuados,
en vista de su procedencia o patrocinio, el cual corresponde a una institución dependiente del “U.S.
Department of Commerce”.
6.1. Pararrayos ESE o pararrayos de cebado (PDC).
Los pararrayos ESE (Early Streamer Emission), o pararrayos de cebado (PDC), son dispositivos conocidos en
español por diferentes nombres, entre ellos:




Pararrayos de cebado
Pararrayos con dispositivo de cebado (PDC)
Pararrayos activos
Pararrayos de emisión temprana
Entre los diferentes nombres con se conocen estos pararrayos, y basado en la definición dada en la Tabla 1.1,
a continuación una definición general, que aplica a los diferentes tipos de

Terminal aéreo (Pararrayo) equipado con un dispositivo que supuestamente es usado para activar en
forma temprana la iniciación del “líder de conexión” ascendente, al compararlos con un terminal
aéreo convencional, bajo las mismas condiciones. Estos dispositivos se distinguen de una punta de
pararrayos “Franklin” ordinaria o común, por la presencia de un objeto pequeño, de diferentes
formas, de geometría compleja, cerca de la parte superior de la punta del pararrayo, que sirve como
disparador de la descarga.
La activación temprana, de los diferentes tipos de ESE, se puede lograr, según argumentaciones de los propios
proponentes, por diferentes medios, entre ellos:





Varillas o puntas metálicas a las que se une una fuente radiactiva, también conocido como terminales
aéreos ionizantes o radiactivos, sistema prohibido en algunos países por argumentos de
contaminación radiactiva.
Varillas o puntas metálicas con arreglo geométrico de placas capacitivas
Varillas o puntas metálicas equipadas con un dispositivo de disparo eléctrico
Varillas o puntas metálicas equipadas con un dispositivo de disparo piezoeléctrico
Varillas o sistemas de captación que usan rayos láser (Para el momento de la publicación del
documento de referencia, estaba en desarrollo y su efectividad, aunque prometedor, aún no se ha
demostrado fuera del laboratorio.
No obstante, aun cuando podemos presentar los diferentes tipos de pararrayos ESE, existe muy poca información
confiable en la red, sobre los principios operacionales, o detalles constructivos y toda la información ubicada se
reduce a destacar las ventajas, aplicaciones y muy someramente a describir el dispositivo como tal, por lo cual
aun con esta información, a continuación la información de cada tipo que puede servir para su análisis y
comparación entre ellos y con respecto a las puntas tipos Franklin.
6.1.1.
Pararrayos ESE de punta radioactiva
El ESE o PDC de punta radiactiva, más utilizado y quizás el más controvertido, está equipado con una fuente
radiactiva posicionada cerca de la parte superior de la terminal aéreo. Estos pararrayos salieron al mercado
en su primera versión comercial en el año 1953, según mejoras a versiones anteriores desarrolladas por
Aphonse Capart.
El material radiactivo empleado está compuesto por emisores de partículas alfa débiles con relativamente
largas vidas como 241Am (vida media de 433 años), que también se usa en algunos detectores de humo. Otros
tipos de radiactivo usados incluyen el 21Opo, 226Ra, IIsKr y 60Co. Los elementos radiactivos ionizan el aire en
las inmediaciones del terminal aéreo o punta del pararrayo, típicamente dentro de un radio de 1 cm a 3 cm.
La tasa de producción de pares de iones puede ser tan alta como 1012/seg. Los promotores de esta tecnología
han argumentado que, más allá de una pequeña región cerca de la terminal, la tasa de formación de pares de
iones en la atmósfera a partir de la fuente de radioactividad, caerá significativamente por debajo de la tasa
natural de radiación. Lo cual según los promotores de la tecnología, evidencia que los terminales aéreos del
tipo radiactivo, son superiores a las barras o puntas convencionales tipo Franklin, esto lo argumentan basado
en la interpretación de resultados de pruebas a campo abierto, al aire libre, utilizando impulsos de potencial
eléctrico para romper el dieléctrico, de los espacios entre barras planas.
Como parte central de esta argumentación, sostenida por sus fabricantes, se ha indicado que con estos
pararrayos de puntas “Radiactivas”, se logran distancias de protección superiores a los 100 mts, y lo explican
porque los elementos radiactivos instalados en las puntas logran ionizar el aire alrededor de las puntas, con
lo cual aumentan el radio de atracción comparado con las puntas Franklin, por lo cual una sola punta se puede
utilizar para proteger un edificio que horizontalmente tenga hasta 200 mts de lado. Sin embargo, esas
ventajas fueron desmontadas y desaprobadas por un estudio efectuado en 1985 por algunos académicos
de Australia y Singapur, según el cual en muchos de los edificios protegidos con pararrayos de puntas
radiactivas, fueron impactados por descargas en zonas consideradas protegidas según las distancias de
atracción argumentadas por los fabricantes. En una sección posterior, se tratará específicamente este puntos
de fallas de los pararrayos de cebado o puntas ESE.
Al mismo tiempo en 1987, un estudio demostró que los elementos radiactivos usados en las puntas
constituían un peligro para la salud de los seres humanos, debido a que estos elementos se podían
descomponer o emitir ondas radioactivas al ambiente y entrar en el cuerpo humano, con graves
consecuencias para la salud de quienes resultaran contaminados con esas fuentes radiactivas, por lo cual
fueron prohibidos a nivel mundial, debido a lo cual se dejaron de fabricar. Ver a continuación, en la Figura
6.1.1.1. la imagen de un recorte de una de las prohibiciones, emitida en junio de 1989, en Kuala, Lumpur de
Malasia, tomada del documento “Conventional and Un-conventional Lightning Air Terminals: An Overview
Hartono Zainal Abidin, BSc (Elect), MIEEE Robiah Ibrahim, BSc (Elect), MIEEE.
Es de hacer notar, que en la misma época que salieron del mercado los pararrayos radiactivos, empezaron a
aparecer los primeros pararrayos del tipo ESE, que todavía se mantienen en el mercado y que su análisis
constituye el principal objetivo de este documento.
Figura 6.1.1.1. Imagen de prohibición de los pararrayos radioactivos en Malasia – junio 1989 / tomada del
documento “Conventional and Un-conventional Lightning Air Terminals: An Overview Hartono Zainal Abidin,
BSc (Elect), MIEEE Robiah Ibrahim, BSc (Elect), MIEEE.
6.1.2. Pararrayos de Cebado (ESE) existentes en el mercado
Los pararrayos ESE existentes en el mercado, iniciaron su desarrollo e incursión en el mercado en la década de
1980, y corresponden con una nueva generación que sustituye a los pararrayos radiactivos. Desde sus inicios
hasta el presente ha habido varias etapas e incluso cambios en las estrategias de comercialización, con
diferentes intentos de ser reconocidos e incluidos en normas internacionales, de lo cual hablaremos más
adelante, por ahora haremos un resumen de los diferentes tipos de pararrayos de cebado ESE, existentes en el
mercado. Como introducción de este resumen podemos indicar lo siguiente:
a. Los fabricantes de los pararrayos de cebado todos argumentan ventajas sobre los pararrayos
convencionales, en relación con un mayor radio de protección que las puntas o pararrayos tipo Franklin.
b. Todos basan su argumentación, en la emisión temprana de las corrientes de cargas de conexión
ascendentes (Streamer), en cuya base argumentan un (Δt) correspondiente al tiempo de viaje de esas
corrientes de conexión ascendentes, desde el momento del disparo hasta el encuentro con las corrientes
de conexión descendentes, que es cuando se establece el arco y surge la primera descarga de retorno,
todo esto comparado con el tiempo del mismo proceso para un pararrayo convencional tipo Franklin.
c. Algunos de estos tipos de pararrayos utilizan arreglos geométricos, o disparadores de diferentes
tecnologías para lograr el disparo o activación de las corrientes de cargas de conexión ascendentes
(Streamer).
6.1.2.1. Varillas o puntas metálicas con arreglo geométrico de placas capacitivas
Según literatura emitida por sus fabricantes, este tipo de pararrayo ESE, no utiliza componentes eléctricos o
electrónicos, y basa su característica operacional, en un arreglo geométrico que contiene un par de placas que
forman un capacitor, de las cuales una de las placas es flotante, y la otra placa está conectada a la punta
captadora y a tierra.
Descripción operacional: En el momento en el cual se aproxima la descarga, existe un campo eléctrico cerca de
la superficie del suelo, se presenta una diferencia de potencial entre la placa flotante y la placa puesta a tierra,
esta diferencia de potencial es proporcional al campo eléctrico impuesto por el líder descendente alrededor
de la punta del pararrayo, la placa flotante forma parte del arreglo geométrico, que mantiene a esta placa
aislada de tierra y de la punta del pararrayo que esta también puesta a tierra y que forma la otra placa del
capacitor, la placa flotante se carga al potencial del aire circundante, correspondiente a su altura de ubicación,
además, tiene un arreglo de barras auxiliares con puntas agudas muy cercanas a la placa conectada a tierra,
cuyo número depende del modelo del pararrayo, y su función es promover la ionización en la cercanía de estas
puntas auxiliares, y el posterior arco entre las placas del capacitor, con lo cual descarga la energía acumulada
en la placa flotante hacia la otra placa o punta principal del pararrayo puesta a tierra, estas descargas se repiten
en forma de pulsos, en la medida en que la placa flotante se descarga y vuelve a cargar, activando así la punta
principal, para la emisión de la corrientes de cargas de conexión ascendente. Con esta activación el proponente
o fabricante argumenta que se logra un (Δt) en el proceso de encuentro entre las corrientes de carga
ascendentes y descendentes, para iniciar la descarga. De este tipo de pararrayos, existen numerosos modelos
de distintos fabricantes, en todo caso como referencia, se incluye en la Figura 6.1.2.1.1., (a) la imagen de un
pararrayo INGESCO modelo PDC. Imagen tomada del catálogo de INGESCO.
Figura 6.1.2.1.1. (a) Imagen de pararrayo PDC (ESE) con arreglo geométrico de placas capacitivas. Tomada y
adaptada por el autor del catálogo de INGESCO.
Figura 6.1.2.1.1. (b) Imagen de datos de instalación y características técnicas del pararrayo “PDC “ESE de
INGESCO. Tomada del catálogo de INGESCO.
6.1.2.2. Varillas o puntas metálicas equipadas con un dispositivo de disparo eléctrico
Al igual que en los casos de los pararrayos o puntas ESE ya descritas, según literatura emitida por sus
fabricantes, este tipo de pararrayo ESE, utiliza componentes eléctricos o electrónicos, y basa su característica
operacional, en la activación de pulsos accionados por circuitos eléctricos o electrónicos, cuya fuente primaria
de energía siguen siendo los campos eléctricos que se forman cerca de la punta o pararrayo, al aproximarse
la descarga. En todo caso es importante destacar que existen diferentes tecnologías y variantes para la
activación de los pulsos, según los diferentes fabricantes.
Descripción operacional: En el momento en el cual se aproxima la descarga, un sistema de detección del
campo eléctrico, que tiene un punto conectado a la punta principal o referencia de tierra, y otro punto
flotante que detecta el potencial de campo eléctrico que se forma cerca de la superficie del suelo, con la
aproximación de la descarga. Entre estos dos puntos, se presenta una diferencia de potencial, que se utiliza
para la activación del disparador eléctrico o electrónico, esta diferencia de potencial es proporcional al campo
eléctrico impuesto por el líder descendente alrededor de la punta del pararrayo, y también a la altura del
punto flotante o aislado de tierra, el cual se carga al potencial del aire circundante. Esta diferencia de potencial
se aplica a la entada del circuito disparador, que a su vez genera los impulsos o descargas que se repiten en
forma de pulsos, en la medida en que el punto flotante se descarga y vuelve a cargar, activando así la punta
principal, para la emisión de la corrientes de cargas de conexión ascendente. Con esta activación el
proponente o fabricante argumenta que se logra un (Δt) en el proceso de encuentro entre las corrientes de
conexión ascendentes y descendentes (Streamers), para iniciar la descarga principal o rayo. De este tipo de
pararrayos, existen numerosos modelos de distintos fabricantes, algunos con circuitos de elementos pasivos
(LRC, formados por bobinas, resistencias y capacitores), otros con circuitos electrónicos activos; además
algunos tienen fuentes externas, o auto-sostenidas como por ejemplo con celdas foto-eléctricas. No obstante
lo anterior, dada la confidencialidad con la cual los fabricantes mantienen sus diseños, solo daremos algunas
referencias, buscando la identificación de su tecnología, por información comercial divulgada para propósitos
de mercado, o tomada de las diferentes patentes.

Referencia 1 de pararrayo ESE con dispositivo de disparo eléctrico, con elementos pasivos RC (Sin
fuentes externas de energía)
Se incluye la descripción del pararrayo “Dynasphere” de ERICO, según la patente # US 7,265,961 B2,
de fecha Septiembre 2007.
Este pararrayo está integrado por los siguientes componentes principales, los cuales serán escritos e
identificados según el número indicado en la imagen o esquema del pararrayo, incluido en la patente
de referencia y que se muestra en las Figuras 6.1.2.2.1 (a):
a. Barra central de metal (# 12), con facilidades para el uso de diferentes puntas, aguda (# 24),
intermedia (# 26) y redonda (# 28), que se seleccionan según la aplicación, y que constituye
la punta principal o de captación, conectada a tierra (Se puede decir que este componente es
una barra Franklin convencional, puesta a tierra mediante cable aislado, integrada a este
arreglo que junto con los otros componentes forma el pararrayo ESE o de cebado, puesta a
tierra , conocido comercialmente como “Dynasphere”). Este elemento es el punto o placa de
un capacitor conectada a tierra.
b. Superficie semiesférica conductiva (# 14 y 16), o concha semiesférica aislada de la barra
central y de tierra, con lo cual constituye el punto o placa flotante de un capacitor aislado de
tierra, la cual adquiere la carga o potencial del aire circundante con muy pocas posibilidades
de originar ionización por efecto corona, debido a su forma redondeada y diámetro de la
semiesfera.
c. Base soporte (# 36) del elemento descripto en el punto “b”, aislante entre la concha
semiesférica y la barra central.
d. Circuito eléctrico (# 46) formado por una resistencia (# 48) y un capacitor (# 50), conectados
entre la concha semiesférica aislada y la barra central puesta a tierra, el cual tiene como
función convertir el diferencial de potencial aplicado en sus extremos en pulsos de corriente
a cierta frecuencia, y aplicarlos a la barra central o punta del pararrayo. Base operativa
principal de la generación de corrientes de carga ascendente (Streamer).
e. Además de los elementos físicos mencionados, es importante destacar que existe una
abertura (Gap), entre la concha semiesférica y la barra central (# 40), que opera como
disparador auxiliar, basado en la separación y la diferencia de potencial entre estos dos
elementos.
Figura 6.1.2.2.1 (a) Imagen del pararrayo “Dynasphere” de ERICO, Tomada de la Patente # US
7,265,961 B2
En las Figura 6.1.2.2.1 (b), se incluye imagen y datos del modelo comercial de esta patente
Figura 6.1.2.2.1 (b) Imagen del pararrayo “Dynasphere” de ERICO, Tomada del Catálogo Manual de
instalación de Eritech System 3000 de ERICO
No obstante el éxito de la versión del pararrayo “Dynasphere” de la patente anterior, ubicamos otra
patente del mismo modelo de pararrayo, pero que fue registrada en Europa, en 1997, según el
número EP 0 977 336 A2, se incluye en la Figura 6.1.2.2.1 (c) Imagen del pararrayo “Dynasphere” de
ERICO, tomada de esta patente. En todo caso se nota que el principio de operación es el mismo, con
algunos cambios de la conformación de la punta.
Figura 6.1.2.2.1 (c) Imagen del pararrayo “Dynasphere”. Versión de la patente europea EP 0 977
336 A2 de ERICO.
En las Figura 6.1.2.2.1 (d), se incluye imagen y datos del modelo comercial del pararrayo
“Interceptor” otro modelo que el mismo ERICO, indica que es para sistemas que no requieren grandes
radios de protección.
Figura 6.1.2.2.1 (d) Imagen del pararrayo “Interceptor ” de ERICO, Tomada del Catálogo Manual de
instalación de Eritech System 3000 de ERICO. Para uso en estructuras de menos de 20 m, de alto y de pocas
dimensiones – Similar tecnología del “Dynasphere)
Como otra opción de ERICO, aparecen los modelos ESE ISeries Air Terminal (SI25i, SI40i, y SI60i),
identificados como System 1000, de los cuales incluyo algunas imágenes y sus datos en las Figuras 6.1.2.2.1
(d y e).
Figura 6.1.2.2.1 (d) Imagen de los pararrayos “ISeries” de ERICO, Tomada del catálogo actual de ERICO –
Eritech System 1000
Figura 6.1.2.2.1 (e) Imagen de los datos del radio de protección de los pararrayos “ISeries” (SI25i, SI40i y
SI60i) de ERICO, Tomada del catálogo actual de ERICO
De esta última versión de las puntas de pararrayos “ISeries” de de ERICO, identificada también según
documentos de Erico, como Eritech System 1000, no hemos ubicado información de su principio de operación,
o características constructivas, a parte de las que se dejan ver en la Figura 6.1.2.2.1(d), en la cual se pueden
ver las 3 secciones del pararrayo, destacando que la sección (1), Punta Principal, está aislada de la sección (3),
mediante una junta aislante (2); de esto se deduce que su principio de funcionamiento es similar al del
pararrayo “Dynasphere”, con una sección aislada o flotante, y la otra puesta a tierra y en una de esas dos
secciones, está el dispositivo de control de voltaje o disparador eléctrico. Como información adicional, ubicada
en página de ERICO, y basado en el instructivo de prueba, “ERICO® INTERCEPTOR Terminal Testing SI25i,
SI40i, and SI60i Series”, en cuyo documento dan información sobre las pruebas, que se incluyen en la Figura
6.1.2.2.1 (f)
Figura 6.1.2.2.1 (f) Detalles de pruebas periódicas de los pararrayos “Iseries” de ERICO – Eritech System
1000
De la Figura 6.1.2.2.1 (f), se destacan los valores de XL y XC, que ratifican la existencia de una capacitancia y
una inductancia entre la punta principal y la sección de control de voltaje o del disparador eléctrico, en cuyos
valores se basa su principio de operación.
Para tener una idea de los recursos, argumentaciones y propuestas de ERICO, se incluye a continuación, en la
Figura 6.1.2.2.1 (g), una imagen de las tres opciones que actualmente están ofreciendo, las cuales según ellos
se adaptan a las diferentes normas.
Figura 6.1.2.2.1 (g) Sistemas de protección ofrecidos por ERICO según requerimientos de diferentes normas
y para diferentes aplicaciones
De la Figura 6.1.2.2.1 (g) se indica a continuación, el cumplimiento de normas de los diferentes modelos:
a. Sistema “Erico System 3000@”, con pararrayos “Dynasphere”, para áreas como las subestaciones y
según requerimientos de la IEEE-998.
b. Sistema “Erico System 2000”, con pararrayos “Convencionales”, para áreas de arquitectura simple y
según requerimientos de las normas IEC 62305, NFPA 780 y AS, aplicando en su diseño el método
de la “Esfera Rodante” (RSM), o electro geométrico.
c. Sistema “Erico System 1000”, con pararrayos “ISeries i”, para estructuras de bajo perfil, de área
extendida y según requerimientos de las normas NF C 102, aplicando en su diseño el método
volumétrico (CVM).

Referencia 2 de este tipo de pararrayo ESE (PDC), con dispositivo de disparo eléctrico, (Sin fuentes
externas de energía)
En la Figura 6.1.2.2.2.(a) se incluye imagen del pararrayo serie S “SAM, SAS, SA, S-DAS ”, de la
empresa “Shirtec” de Australia, tomada del catálogo de esta empresa en la cual se incluye una imagen
y sus características técnicas principales (b), incluyendo los diferentes modelos, con sus respectivos
Δt, y alcances o radio de protección argumentado (c).
Figura 6.1.2.2.2. (a) Imagen del pararrayo “S-AM, S-AS, S-A, S-DAS y S-DA”, de la empresa
“Schirtec”. Tomada y adaptada por el autor, del catálogo de la empresa
Figura 6.1.2.2.2. (b) Características técnicas del pararrayo “ S-A”, de la empresa “Schirtec”.
Tomada del catálogo de la empresa
Figura 6.1.2.2.2. (c) Características de los diferentes modelos, con sus respectivos Δt, y
alcances o radio de protección de los pararrayos “S-AM, S-AS, S-A, S-DAS y S-DA”, de la
empresa “Schirtec”. Tomada del catálogo de la empresa
Principio de operación: Según el fabricante “Schirtec”, al igual que otras referencias en este
documento mencionadas, este terminal aéreo tipo ESE, funciona basado en el mismo principio, de

dos placas formando un capacitor, una constituida por la punta principal o barra central conectada a
tierra, y una placa o armadura aislada de tierra, con una mínima abertura o gap entre las dos placas.
El potencial electrostático de la placa conectada a tierra, tiende a cero, mientras que la placa aislada
tiende a tomar el potencial electrostático existente a la altura de la punta aérea, según el potencial
electrostático inducido a esa altura con la presencia de nubes de tormenta y en instantes antes de la
descarga eléctrica. Esta diferencia de potencial es lo que el fabricante considera la fuente de poder
del dispositivo acelerador de iones, el cual se hace considerable hasta niveles de hacer saltar el arco
entre las dos placas en la abertura o gap entre ellas, aumentando así la capacidad de ionización de la
punta central puesta a tierra. El grupo de anillos aislados, superpuestos alrededor de la barra central
o placa puesta a tierra, actúan como una impedancia variable que incide en la diferencia de potencial
entre las dos placas, mientras más anillos, mas alcance le asigna el fabricante a estos pararrayos. Todo
este proceso se activa al acercarse la corriente de carga de conexión bajando, a la punta o terminal
aéreo, cuya ionización aumentada es la que argumenta el fabricante para un mayor alcance de estos
dispositivos comparados con las puntas Franklin.
Referencia 3 de este tipo de pararrayo ESE (PDC), con dispositivo de disparo eléctrico, con
elementos pasivos RC (Sin fuentes externas de energía)
En la Figura 6.1.2.2.3.(a) se incluye imagen del pararrayos “Dat Controller Plus”, de la empresa
“Aplicaciones Tecnológicas” de España, tomada del catálogo de esta empresa en la cual se incluye
una imagen y sus características técnicas principales (b), incluyendo los diferentes modelos, con sus
respectivos Δt, y alcances o radio de protección argumentado (c).
Figura 6.1.2.2.3. (a) Imagen del pararrayo “Dat Controller Plus”, de la empresa “Aplicaciones
Tecnológicas”. Tomada del catálogo completo de la empresa
Figura 6.1.2.2.3. (b) Imagen de características técnicas del pararrayo “Dat Controller Plus”, de la empresa
“Aplicaciones Tecnológicas”. Tomada del catálogo completo de la empresa
Figura 6.1.2.2.3. (c) Imagen de datos de instalación y radios de protección del pararrayo “Dat Controller
Plus”, de la empresa “Aplicaciones Tecnológicas”. Tomada del catálogo completo de la empresa
De la Figura 6.1.2.2.3. (a,b y c), se puede destacar, basado en la interpretación de la imagen y las
características publicadas, que su principio de operación es igual a las del pararrayo “Dinasphere” de
Erico, no obstante sus dimensiones físicas y arreglo es diferente, en lugar de una “concha semiesférica
aislada”, se ve una especie de cilindro abierto en la parte inferior para la salida del cable bajante de la
barra central del pararrayos, y en la parte superior tienen una abertura por donde sale la punta del
pararrayos, este cilindro abierto corresponde con el punto o placa aislada y la punta o barra central es
el otro punto o placa puesta a tierra. Según las características técnicas, el tipo de dispositivo de cebado
es “Electropulsante”, el cual debe estar asociado a un circuito interno LR, similar al del pararrayo
“Dinasphere”. Se destaca que los cables bajantes de estos pararrayos son cables o conductores
desnudos aislados de tierra, para que puedan servir de referencia de potencial cero, y lograr así la
diferencia de potencial, entre la placa aislada y la punta o barra central del pararrayos puesta a tierra
en la base de la estructura protegida.

Referencia 4 de este tipo de pararrayo ESE (PDC), con dispositivo de disparo eléctrico, con
elementos pasivos RC (Sin fuentes externas de energía).
En la Figura 6.1.2.2.4.(a) se incluye imagen de dos modelos de pararrayos “Prevectron”, de la
empresa “Indelec” de Francia e Italia, tomada del catálogo de esta empresa, uno de los cuales
(imagen de la derecha), el “Prevectron 3 TS10”, tiene batería, cargador solar y transmisión remota
de su estado (Pruebas de estado), por lo cual tiene componentes electronicos, en (b) una imagen de
sus características técnicas principales, y en (c) los diferentes modelos, con sus respectivos Δt, y
alcances o radio de protección argumentado.
Figura 6.1.2.2.4. (a) Imagen de la izquierda, del pararrayo “Prevectron 3 S60”, imagen de la derecha, del
pararrayo “Prevectron 3 TS10”. Tomada del catálogo de Indelec.
Figura 6.1.2.2.4. (b) Imagen de datos de instalación, radios de protección y datos técnicos del pararrayo del
pararrayo “Prevectron 3 S60”. Tomada del catálogo de Indelec.

Referencia 5 de este tipo de pararrayo ESE (PDC), con dispositivo de disparo eléctrico, con
elementos pasivos RC (Sin fuentes externas de energía).
En la Figura 6.1.2.2.5.(a) se incluye imagen de pararrayos “OPR” (imagen de la izquierda), de la
empresa “ABB” de Francia, tomada del catálogo de esta empresa, una de los cuales (imagen de la
derecha), presenta un distingo de este pararrayo, que incluye un sistema de monitoreo del pararrayo,
con un anillo rojo, mediante el cual detecta cuando ha sido impactado por una o varias descargas, o
cuando una de estas descargas ha sido mayor de 40 kA, en cuyo caso debe ser probado con equipos
de prueba particulares para detectar su estado interno.
Figura 6.1.2.2.5.(a) Imagen de pararrayo OPR de ABB (izquierda) e imagen del dispositivo de
chequeo del pararrayo
En la Figura 6.1.2.2.5.(b) se incluye la tabla de los radios de protección para los diferentes modelos;
destacando que en este caso, los diferentes modelos lucen iguales externamente, pero internamente
deben tener diferencias en sus circuitos eléctricos o electrónicos, para lograr los diferentes alcances
o Δt. Se incluye también la fórmula del cálculo del radio de protección.
Figura 6.1.2.2.5. (b) Imagen de datos del radio de protección y del Δt de los diferentes modelos del
pararrayo OPR de ABB tomado y adaptado por el autor, del catálogo de la empresa
6.1.2.3. Varillas o puntas metálicas equipadas con dispositivo de disparo piezoeléctrico (Sin
fuentes externas de energía)
Como referencia de este tipo de pararrayos, se incluye la descripción del pararrayo “LIGHTNING CONDUCTOR
WITH PIEZOELECTRIC DEVICE FOR INITIATING THE CORONA EFFECT”, según la patente # US 4,518,816, de fecha
Mayo 1985.
Este pararrayo está integrado por los siguientes componentes principales, los cuales serán escritos e
identificados según el número indicado en la imagen o esquema del pararrayo, incluido en la patente de
referencia, lo cual se muestra en la Figura 6.1.2.3.1 (a):
a. Barra central de metal (# 2) con la punta principal (# 4) que constituye el elemento de captación,
conectada a tierra según conexión indicada en el esquema (# 6) (Se puede decir que este componente es
una barra Franklin convencional, puesta a tierra. Este elemento es el punto o placa de un capacitor
conectada a tierra.
b. Punta o placa auxiliar (# 8) que se integra al pararrayo con una o más cantidad de puntas con las cuales se
definen los diferentes modelos con Δt diferentes. Su función es aplicar energía del efecto corona a la punta
principal (# 4).
c. Soporte aislante (# 12) entre la barra central (# 2), y la punta o placa auxiliar (# 8). Con este aislante se
establecen las dos placas del capacitor formado por la barra central (# 2) y la punta auxiliar (# 8).
d. Deflector de viento, integrado por superficie o concha semiesférica externa (# 14) con el pivote (#16), y el
transmisor de presión (# 15). La función de este conjunto de elementos es captar el viento y dirigirlo hacia
abajo cuya fuerza por medio del pivote y del transmisor de presión (# 16), aplica la energía del viento al
cristal piezoeléctrico (# 10), que transforma dicha energía en corrientes eléctricas que se aplican a la punta
auxiliar (# 8), se argumenta que estas corrientes, además del efecto corona en las puntas auxiliares por la
diferencia de potencial entre placas aisladas, ayudan a la formación de un efecto corona auxiliar que
aumenta las corrientes de carga para formar la corriente de carga en la punta principal. Este proceso en
otra versión se hace por medio de una turbina (# 22), montada en el soporte (# 19), la cual aplica la presión
al cristal piezoeléctrico (# 10), por medio del transmisor de presión o del movimiento de la turbina con la
excéntrica (# 19.)
e. Además de los elementos físicos mencionados, es importante destacar que existe una abertura (Gap),
entre las puntas auxiliares (# 8) y la barra central (# 2), que opera como disparador auxiliar, basado en la
separación y la diferencia de potencial entre estos dos elementos.
En la Figura 6.1.2.3.1, se incluyen imágenes y datos de esta patente
Figura 6.1.2.3.1. Imagen del pararrayo “LIGHTNING CONDUCTOR WITH PIEZOELECTRIC DEVICE FOR
INITIATING THE CORONA EFFECT”, según la patente # US 4,518,816, de fecha Mayo 1985.
Al igual que en los casos de los pararrayos o puntas ESE ya descritas, según literatura emitida por sus fabricantes,
a continuación la descripción de este tipo de pararrayo, de punta “Piezoeléctrico”, no utiliza componentes
eléctricos o electrónicos, y basa su característica en la captación del viento en la punta, y la activación de un cristal
piezoeléctrico por medio de la presión o movimiento mecánico, originado por la deflexión del viento, o por una
turbina que se mueve con el viento. Se destaca que la información obtenida de la patente # US 4,518,816, de
fecha Mayo 1985, es la información base del funcionamiento de estos pararrayos, sin embargo en las referencias
comerciales que incluimos a continuación, no se incluyen detalles de esquema interno y su proceso de operación
se limita a indicar que obtienen la energía del viento y que esta se aplica por medio del cristal piezoeléctrico, para
mejorar las corrientes por efecto corona y disminuir el tiempo entre las dos corrientes de conexión con los cual
logran el Δt, que les permite argumentar un radio de protección mayor que el de las puntas convencionales o
puntas Franklin. A continuación las referencias comerciales.

Referencia 1 de este tipo de pararrayo ESE (PDC), con dispositivo de disparo piezoeléctrico (Sin
fuentes externas de energía)
En la Figura 6.1.2.3.2.(a) se incluye imagen del pararrayos “Saint Elme”, de la empresa “Franklin
France” de Francia con centro de ventas en Romania, tomada del catálogo de esta empresa en la cual
se incluye una imagen y sus componentes principales, en (b) se incluyen los diferentes modelos, con
sus respectivos Δt, y alcances o radio de protección argumentado.
Figura 6.1.2.3.2.(a) Imagen del pararrayos “Saint Elme”, de la empresa “Franklin France” de Francia,
tomada y adaptada por el autor, del catálogo de esta empresa
Figura 6.1.2.3.2.(b) Imagen de los radios de atraccion para los diferentes modelos de pararrayos “Saint
Elme”, de la empresa “Franklin France” de Francia, tomada del catálogo de esta empresa

Referencia 2 de este tipo de pararrayo ESE (PDC), con dispositivo de disparo piezoeléctrico (Sin
fuentes externas de energía)
En la Figura 6.1.2.3.3.(a) se incluye imagen del pararrayos “Lightning Advance Protection Conductor”
o “LAP” , de la empresa “Sabo Systens PVT LTD” de la India, tomada del catálogo de esta empresa en
la cual se incluye una imagen y sus componentes principales, en (b) se incluyen los diferentes
modelos, con sus respectivos Δt, y alcances o radio de protección argumentado.
Figura 6.1.2.3.3. (a) Imagen del pararrayos “LAP”, de la empresa “Sabo” de la India, tomada y
adaptada por el autor, del catálogo de esta empresa
Nota: Se puede ver las imágenes de las Figuras 6.1.2.3.2. (a) y 6.1.2.3.3. (a), son las mismas porque
físicamente estos pararrayos son idénticos, lo que parece ser que en dos o tres países diferentes se
comercializan con diferentes nombres, y pueden estar amparados por la misma patente, aunque los
dos presentan distingos con respecto a la patente referida, en todo caso el principio de
funcionamiento es el mismo.
Figura 6.1.2.3.3. (b) Imagen los radios de protección para los diferentes modelos del pararrayo “LAP”, de
la empresa “Sabo” de la India, tomada del catálogo de esta empresa
6.1.3.
Pararrayos ESE (PDC) de superficies esféricas tipo capacitivo, sin disparador y sin fuentes
externas
Este tipo de sistema de proteccion, específicamente los sistemas que incluyen puntas “PDCE Sertec –
Evolution” y “PDCE Sertec – CMCE”, que en principio según su “Brouchure”, es comercializado como: PDCE
Sertec modelo: Evolución y CMCE (Compensador de campo eléctrico múltiple) y “Protector de campo
electromagnético Sertec”, en cuyo folleto, solo aparece la palabra “Pararrayo”, cuando se refieren a la patente
1,266,175 de Nikola Tesla de 1916, para indicar que esa patente, sustenta los principios de sus pararrayos.
Dado lo anterior se nota que esta omisión de la palabra pararrayo, es una estrategia, sobre la cual orientan su
publicidad para indicar que su pararrayo compensa el campo eléctrico, dando la idea que esos dispositivos, al
contrario de los pararrayos convencionales (puntas Franklin), compensan el campo el campo eléctrico y
evitando la formación del rayo; copio a continuación párrafo de uno de sus “Brouchure” o folletos que indica
lo comentado en estos párrafos:
“Compensando, estabilizando la corriente de los campos eléctricos en su entorno, drenándolos a tierra en
inofensivos mili amperes, minimizando la formación del rayo, en su área de protección”
Este tipo de pararrayos o dispositivo de protección, merece atención especial, ya que aunque en sus folletos,
su fabricante, no lo identifica como un pararrayo, se vende y comercializa como un reemplazo de los pararrayos
convencionales, por lo cual el comprador puede creer que está comprando un pararrayo y va a estar protegido
contra los riesgos de impactos en sus estructuras.
Para su análisis en este documento, copiaremos parte de las afirmaciones del fabricante, la cual mucha de ella
se puede calificar como adaptada a su estrategia de comercialización, de poco contenido técnico confiable, en
todo caso consideramos que debe ser manejada con estricto cuidado por las implicaciones que puedan tener.
A continuación los principales aspectos.
En las Figuras 6.1.3.1. (a y b), se incluye la fachada del folleto de mercadeo (brouchure), donde anuncian
algunas cualidades de sus dispositivos, características y radios de cobertura, sin ninguna información técnica
de base. Tomada del folleto de Sertec, y adaptada por el autor, se incluyen los datos de la empresa fabricante
y una fotografía de un dispositivo instalado.
Figura 6.1.3.1. (a) – Anuncio del fabricante
con datos de la empresa y una fotografía de
un dispositivo instalado.
Figura 6.1.3.1. (b) – Imagen de los dispositivos modelo CMCE y Evolution, con sus características y los
radios de cobertura según folleto de SERTEC.
De la figura anterior, se destacan las notas resaltadas con un recuadro rojo, donde el fabricante hace una
recomendación al usuario, en la cual indica que para los niveles de protección I, II, III y IV, según lo define la
norma IEC 62305, se debe utilizar el método de la esfera rodante, con los radios de protección definidos en
la norma, 20, 30, 45 y 60 m, en lugar de sus argumentados 100 y 120 m de cobertura. Esto es como la letra
pequeña de un contrato, donde dejan sentado que si se quiere una protección según los niveles de
protección indicados en las normas, su dispositivo debe ser tratado como una punta Franklin convencional,
y al mismo tiempo esta nota deja por fuera la posibilidad de un reclamo de tipo legal, en el caso de que
caiga una descarga en los radios de cobertura que ellos promocionan.
Además de las Figuras 6.1.3.1. (a y b), en la Figura 6.1.3.1. (c), se incluye el principio de funcionamiento
tomado del folleto del producto.
Figura 6.1.3.1. (c), Imagen con el principio de funcionamiento tomado del folleto del producto publicado
por Sertec
Como se puede inferir de la Figura 6.1.3.1. (c), las marcaciones con color azul y rojo, corresponden
a las placas de capacitores una de la cuales está conectada a tierra, y la otra está aislada de tierra y
corresponde a la placa flotante, con las cuales se forman los capacitores que se cargan al potencial
de la palca flotante con base a la altura y al campo existente, con referencia a la placa conectada a
tierra. El elemento principal (esfera superior) está constituido por dos semiesferas de radio amplio, y
aisladas entre sí, además se observan electrodos auxiliares en la semiesfera inferior, también
constituyendo capacitores y un anillo en la barra central también constituido por dos placas, que
según el fabricante este anillo sirve para controlar y disminuir o contrarrestar la ionización
neutralizando la formación del rayo. Es posible que entre las placas exista algún arreglo de abertura
o “gap entre placas” que a una cierta diferencia de potencial entre las placas de los capacitores,
promueva la descarga entre placas y facilite el camino a tierra de la descarga principal o rayo.
Resumen sección 6.1.:
Una característica común de los ESE en su funcionamiento es el uso de un dispositivo de activación
de la descarga, para aumentar la probabilidad de iniciar un líder ascendente, en o cerca de la punta
del dispositivo (Pararrayo), al acercarse un líder descendente, impulsado naturalmente por el
campo eléctrico de la nube de tormenta. Contrariamente a algunos conceptos erróneos e
interesados, los terminales ESE no aumentan significativamente la conductividad del aire a una
distancia superior a 10 cm más allá de la punta del dispositivo. No obstante lo anterior, debemos
reconocer una posible excepción, en los sistemas que utilizan rayos láser intensos para "guiar" una
descarga líder. Sin embargo, tales dispositivos se consideran experimentales, con ensayos de
laboratorio, pero que no han sido probados en el campo, para la protección práctica contra rayos. El
principal efecto de atracción de un terminal ESE se debe indudablemente al metal conductor, por sí
mismo, introduce una mejora significativa en la intensidad del campo eléctrico, que a su vez aumenta
la tasa de ionización en el aire alrededor de la varilla por encima de la punta captadora, comparado
con otros lugares u objetos cercanos. Al hacer eso, incrementa la probabilidad de iniciación de la
descarga y tal vez también la velocidad con cual la descarga puede propagarse en comparación con
las áreas circundantes que originan el arco en un campo eléctrico más bajo por su altura de
ubicación o de menor intensidad. Un pararrayos ubicado a mayor altura, puede competir más
favorablemente para atraer una descarga de rayo que los conductores en la misma vecindad ubicados
a menor altura. Al igual que los terminales convencionales, los pararrayos ESE, aumentan su eficiencia
de atracción al aumentar su altura sobre el terreno en el punto de ubicación, hasta un límite definido
por la distancia de impacto.
Por lo anterior, como característica común referenciada por muchos de los fabricantes, con
diferentes características según la metodología, se puede destacar que todos ellos argumentan un
aumento de la velocidad del líder ascendente, que miden en µseg. con la cual calculan un radio de
protección mayor que los sistemas convencionales. En este sentido los proponentes y fabricantes de
sistemas ESE argumentan, que los las terminal aérea ESE, pueden emitir corrientes de carga
ascendentes, antes que las terminales convencionales por un período de tiempo ∆T cuyo valor osciló
entre 50 y 100 microsegundos. También afirmaron que las corrientes de carga ascendentes emitidas
tienen una velocidad constante (Vs) de 1x106 m/seg., por lo tanto, afirmaron que un solo los
terminales aéreos ESE pueden proporcionar una zona de protección cuya radio (∆L) puede ser de
hasta 100 m donde ∆L= 106 x ∆T.
Para un ∆L = 100 x 10-6 seg. x 1x106 m/seg = 100 m
Este es uno de los radios de protección aumentados y argumentados por los fabricantes, basados en
algunas pruebas, que tienen todas las argumentaciones en contra que ya se han indicado, pero que
en especial porque están basadas en la velocidad de propagación del líder ascendente,
sobreestimada, que no corresponde con pruebas y argumentaciones de profesionales y científicos
destacados, entre ellos Yokoama, y Becerra y Cooray, como se indica en la sección 4 de este
documento, los cuales han determinado velocidades promedio entre 0,8 y 2,7x105 m/seg; esto
además lo mostrado en la Figura 4.1.1.6 - Gráfico de velocidad (V) del movimiento versus la altura
de los líderes ascendente y descendente, donde se indica que la máxima velocidad del líder
ascendente está 4 y 60 m/seg.-, y no 100m/seg, como en algunos casos se argumenta; en todo caso
la velocidad de propagación que se debería utilizar para cualquier calculo debe ser el promedio que
serían aprox. 32 m/seg, con lo cual no habría la ganancia en el radio de protección, mencionado por
los fabricantes, de 40 y hasta 200 m.
6.2. Argumentaciones y preguntas de los fabricantes y vendedores de pararrayos de cebado
ESE (PDC) , contradicciones.
En general muchas de las argumentaciones de los fabricantes de estos pararrayos conocidos como
“ESE” o “Pararrayos de Cebado”, también como “Pararrayos Activos”, han sido mencionadas en las
referencias incluidas en la sección anterior, y muchas de ellas tienen que ver con “Principios de
operación”, muchas veces cuestionados, no aceptados o que carecen de comprobaciones
científicas, en relación con la ganancia en distancia de protección que argumentan. En todo caso,
una evaluación completa del funcionamiento de los terminales aéreos ESE, requieren una
comprensión de los principios físicos básicos responsables de su funcionamiento. No queda claro
a partir de un examen de la literatura relevante, existente y disponible, que exista un
entendimiento universalmente aceptado sobre el cómo o por qué estos dispositivos operan. En el
caso de los ESE radioactivos, en la literatura se argumenta que simplemente no funcionan o, en
el mejor de los casos, que son relativamente ineficaces. Estas afirmaciones negativas
generalmente se basan en la falta de evidencia que se puede encontrar en la literatura sobre el
desempeño de los terminales radiactivos, y rara vez se basa en los resultados de pruebas
independientes. Datos cuantitativos de confianza sobre la operación eficiencia de estos
dispositivos versus los pararrayos tradicionales, bajo condiciones relevantes, definitivamente no
existen. Sin embargo, la falta de datos no significa necesariamente una prueba de que los
dispositivos ESE no funcionan. Las preguntas que se deben hacer son, cómo y cuánto mejor
funcionan o podrían funcionar comparados con los terminales aéreos convencionales, es decir,
cuál es la ganancia o ventaja operativa, si es que hay alguna ventaja, en el proceso de atracción
y eficiencia en la captura del rayo?. No se encuentran resultados indiscutibles que permitan
responder estas preguntas
Teniendo en cuenta lo que actualmente se sabe de estudios de laboratorio del fenómeno de las
descargas eléctricas, son posibles algunas especulaciones, más o menos razonables, que permitan
establecer cómo operan los ESE en ambientes de campo reales de situaciones de tormenta.
Desafortunadamente, para cualquier conclusión sobre la operación de los ESE, se debe recurrir a
la especulación o extrapolaciones a escala de laboratorio, porque existe una escasez de
información detallada a partir de observaciones realizadas durante la caída de rayos en el medio
ambiente natural.
La única característica común, que se destaca en relación con todos los tipos de los dispositivos
ESE es que mejoran la ionización del aire en la vecindad inmediata de la punta terminal, antes de
que se inicie el proceso de un rayo. Esta ionización adicional presumiblemente aumenta la
probabilidad de que u líder ascendente sea impulsado desde la punta del terminal aéreo hacia el
encuentro con el líder descendente. La pregunta que se podría hacer entonces es, ¿cómo actúa
esta ionización adicional para mejorar la formación de las corrientes del líder ascendente?
La respuesta a esta pregunta no es obvia, pero puede hallarse en el tiempo transcurrido La
respuesta a esta pregunta no es obvia, pero parecería hallarse a partir de una consideración del
tiempo transcurrido hasta el encuentro del líder ascendente y descendente, cuando se produce la
ruptura del medio aislante o arco eléctrico que se transforma en la descarga atmosférica. Este
tema ha sido objeto de numerosas investigaciones de laboratorio. Para obtener una descarga
eléctrica (corriente del líder ascendente) que se haya iniciado después de un aumento rápido de
voltaje haya sido aplicado, por ejemplo, a un espacio entre electrodos punto-esfera o esfera-esfera
en el aire, de modo que la fuerza del campo eléctrico excede la fuerza de ruptura del aire, debe
haber al menos un electrón libre disponible para iniciar el proceso de avalancha de electrones, que
es el precursor de la formación de la corriente ascendente. En el caso del electrodo de punto
positivo, que se aproxima a las condiciones de una descarga normal negativa, se cree, y así lo han
indicado los promotores de estos dispositivos, que el mecanismo es principalmente el
desprendimiento de electrones por colisión de los iones negativos y que la tasa de
desprendimiento por colisión depende de las especies o tipos de aniones y de la fuerza del campo
eléctrico en el que se mueve.
En el caso del aire, los tipos de iones negativos que se pueden formar dependen significativamente
del contenido de vapor de agua (humedad del ambiente), lo que parece explicar la gran diferencia
observada en los lapsos de tiempo medidos en laboratorio para las condiciones de aire seco, y
húmedo, bajo condiciones de impulso positivo. A partir de experimentos de laboratorio sobre la
descomposición del impulso positivo en el aire, se ha encontrado que los tiempos medidos
muestran una disminución pronunciada con el aumento de la humedad, es decir, la probabilidad
de iniciación de la descarga aumenta con la presencia de vapor de agua. Los iones negativos en la
atmósfera están formados por la unión de electrones de baja energía a moléculas de gas
electronegativas como 02 y H2O.
La presencia de iones negativos en un espacio de electrodos antes de la aplicación de un voltaje
de impulso (simulando un líder que se aproxima) no garantiza que se producirá el inicio de una
descarga. Por ejemplo, si la tasa de aumento de voltaje es demasiado lenta, los iones pueden
simplemente apartarse del espacio antes de sufrir un desprendimiento. Además, la intensidad de
campo a la que un ion negativo puede desprender un electrón puede, dependiendo del tipo de
iones, se encuentran por encima o por debajo de la fuerza del campo de ruptura del aire y esto
determinará su eficacia para iniciar una descarga. Si el dispositivo ESE ayuda a asegurar la presencia
de iones negativos cerca de la terminal durante la aproximación de las corrientes que trazan el
rayo, entonces podría ser eficaz para reducir el tiempo de retraso para la iniciación de las corrientes
ascendentes. Sin embargo, su efectividad debe medirse frente a lapsos de tiempo que ocurren
naturalmente y puede depender significativamente de condiciones tales como la humedad relativa
y carga total (fuerza) del Líder que se aproxima para dar origen a la descarga atmosférica.
En el caso de un electrodo de potencia negativa, como ocurre con un rayo positivo, el mecanismo
de iniciación de la descarga puede ser bastante diferente. Cerca de un punto negativo, el
desprendimiento de iones negativos aún puede desempeñar un papel; sin embargo, estos iones
serán forzados a mudarse a la región del campo de más baja, o lejos de la punta del electrodo
donde el desprendimiento de electrones por colisión con moléculas de aire se vuelve menos
probable. Para puntos negativos, los electrones también pueden ser liberados por colisión de iones
positivos con la superficie del electrodo. Por lo tanto, se puede esperar que la efectividad de la
ionización del líder para mejorar la iniciación de la corriente en la punta de un terminal de aire
dependa de la polaridad. La medida en que la probabilidad de iniciación del líder depende de la
polaridad; para un ESE dado o terminal convencional esto generalmente no se conoce, o al menos
no hay evidencia en la literatura de que el efecto de la polaridad ha sido investigado a fondo.
La presencia de ionización en la punta terminal como parte del proceso previo de un rayo también
puede actuar en contra de la eficacia de un dispositivo ESE si esta ionización puede ocurrir bajo
condiciones de un campo eléctrico alto, con suficiente fuerza de campo para permitir la formación
de una descarga por efecto corona. Una vez se origina el efecto corona, se producen más iones
que los que pueden ser generados, por ejemplo, de la emisión de partículas alfa de una fuente
radioactiva. La presencia de carga iónica en el espacio puede reducir significativamente la
intensidad del campo eléctrico cerca de la parte superior (aire cerca de la punta terminal) y por lo
tanto puede actuar para inhibir la iniciación de la corriente de cargas (streamer). La posibilidad de
formación de corona depende de factores como la geometría del terminal. También se ha
demostrado concluyentemente por experimentos realizados en la atmósfera que la intensidad de
una descarga corona ayuda a la densidad de la carga espacial asociada depende significativamente
de las condiciones locales, como la velocidad del viento.
Experimentos de laboratorio realizados para determinar la influencia de la radiación en la iniciación
de descargas en el aire entre la parte plana de los electrodos de grandes esferas, han demostrado
que la presencia de radiación aumenta la probabilidad de formación de descarga para voltajes de
impulso, con frentes de onda escalonadas, pero disminuye la probabilidad de la ruptura en frentes
de onda más largos (1 µs en comparación con 180 µs). Para frentes de onda escalonados, el voltaje
de ruptura es por lo tanto, efectivamente más bajo de lo que es para frentes de onda más largos.
Este experimento parece mostrar que la presencia de radiación aumenta el inicio de la descarga
siempre que no haya suficiente tiempo para la formación de la carga espacial de corona. Sin
embargo, el efecto de la radiación fue, en cualquier caso, relativamente pequeño y el papel de la
fuente y la carga espacial generada por efecto corona no fueron cuantificados o por lo menos
claramente identificado. Una de las conclusiones dadas en este trabajo es que el principal efecto
de la radiación y la ionización correspondiente del aire es eliminar lapsos de tiempos de atraso
para la emisión de cargas en forma de chispas. Por esto, debe tenerse en cuenta que el lapso de
tiempo es una variable estadística, y para un conjunto bien definido de condiciones de abertura
para la descarga existirá una distribución en los lapsos de tiempo que se puede determinar
experimentalmente.
También se debe tener en cuenta que la formación de descargas de corona está mencionado para
argumentar en favor de la supuesta eficacia de los disipadores de rayos En este caso, el efecto
corona presumiblemente se forma, por la existencia de multitud de puntas agudas, situadas
alrededor del área a ser protegida, con capacidad para producir suficiente carga espacial para
reducir el campo eléctrico y desviar el camino de las corrientes de cargas que se aproximan, antes
de la formación de la descarga masiva. La formación de la corona puede depender
significativamente del contenido de vapor de agua del aire alrededor de la terminal. El tema de la
formación de la corona también es fundamental para el debate sobre la forma más deseable para
el extremo de un pararrayos convencional. Se destaca, como ya se indicó en secciones anteriores,
que las puntas de pararrayos redondas funcionan mejor que las de punta aguda para atraer rayos,
supuestamente porque la corona se forma con menos facilidad alrededor las puntas redondas que
alrededor de las puntas agudas. El problema de la corona de la formación de la formación de la
corona, también es relevante para el funcionamiento de los dispositivos ESE y presumiblemente
es un factor que se considera en el diseño de terminales ESE. Los detalles de los dispositivos ESE,
bajo los cuales están diseñados para evitar la formación de corona antes de la caída de un rayo,
normalmente no son difundidos en la literatura o archivos de los fabricantes.
Adicional a la formación que ocurre durante la actividad de la descarga, cerca de la punta de un
pararrayos, pueden ocurrir colisiones de electrones e iones con moléculas atmosféricas que
pueden formar especies neutras excitadas, meta estable de relativamente larga vida, como es el
estado electrónico de la molécula de oxígeno o el estado electrónico de la molécula de nitrógeno.
Además, en una descarga de gas se producen especies moleculares, meta estable, excitada por
vibración. La presencia de estas especies meta estables, pueden tener una influencia significativa
en la propagación de descargas de las corrientes de cargas, porque se ionizan más fácilmente que
las moléculas de aire que se encuentran en el estado fundamental y porque pueden suministrar
energía a los electrones mediante colisiones súper elásticas, el efecto general es proporcionar un
camino de baja resistencia a una descarga que se aproxima. La desactivación de especies meta
estables a través de colisiones con otras moléculas o con superficies también puede ser una fuente
de electrones iniciadores de descarga, es decir, su presencia bajo ciertas condiciones podría ser
eficaz para aumentar la probabilidad alta de inicio de la descarga.
Los iones útiles, las especies meta estables neutrales no contribuyen a la modificación de la fuerza
del campo eléctrico local y el movimiento tampoco se ve influido significativamente por la
consecuencia de un campo Tienden a difundirse lejos de su punto de origen, y su eficacia en la
modificación de una ruta de descarga y su rango de influencia depende de su energía de excitación
y la distribución de la densidad en un momento dado. La densidad de especies meta estables
depende, a su vez, de las tasas relativas de formación, extinción y difusión de estas especies.
Aunque la influencia de las especies meta estable en el desarrollo de la descarga se ha establecido
a partir de investigaciones de laboratorio, es considerablemente menor la influencia que la
dinámica de las interacciones de estas especies en una descarga en comparación con lo que se
conoce acerca de los iones. En particular, muy poco es conocido sobre cómo contribuyen a la
iniciación de la descarga del rayo o propagación en las condiciones atmosféricas pertinentes. Como
con iones negativos, el contenido meta estable del aire alrededor de la punta terminal de un
pararrayo, se verá afectado por la humedad relativa y contaminación general del aire. La influencia
de las especies meta estables no debería extenderse significativamente más allá de la longitud de
la varilla del pararrayos. Su papel, en todo caso, será mejorar el desarrollo inicial de una corriente
de cargas en la punta del pararrayos.
En resumen, parecería que la mejora del inicio la corriente de cargas ascendente desde un
dispositivo de protección ESE (en comparación con una punta terminal convencional) tiene una
base física plausible. Sin embargo, también parecería que una comprensión completa y
universalmente aceptada de cómo funcionan todos los dispositivos ESE ha fracasado; sin embargo,
se puede argumentar que se necesita una mejor comprensión para hacer comparaciones
cuantitativas y de mayor significado entre las actuaciones de ESE y una punta de pararrayos
convencional. Para llegar a tal entendimiento es indudable que es necesario abordar cuestiones
básicas de carácter internacional tales como:
1, ¿Cuáles son los mecanismos predominantes de iniciación de la corriente de cargas ascendente
(streamer), bajo diferentes condiciones de polaridad, y condiciones atmosféricas, humedad,
contaminación del aire y geometría de la punta terminal?
2. ¿Cuáles son los roles relativos de los iones, electrones, y las especies meta estable en el
desarrollo y propagación de una corriente de cargas ascendente (Streamer), desde una terminal
para diferentes condiciones?
3. ¿Cuál es la probabilidad de formación de corona alrededor de un dispositivo terminal de
pararrayo y cómo afectará la presencia de corona a la capacidad de la terminal para lanzar una
corriente de cargas ascendente al acercarse a un potencial impacto de rayo?
4. En el caso de terminales radiactivos, ¿cuál es la dependencia de la probabilidad de iniciación de
una corriente de cargas ascendente (Streamer), de la intensidad de la energía radiactiva del tipo
de fuente de radiación!
5. En el caso de dispositivos activados eléctricamente, ¿cómo es la probabilidad de iniciación de la
corriente de cargas (streamer) y su dependencia del momento y magnitud de la chispa disparada
eléctricamente?
6. También para dispositivos activados eléctricamente, cuan confiable preciso es el sensor de
campo que controla el disparo de iniciador de la corriente de cargas (Streamer), en especial si
eficiencia se ve afectada por la carga espacial local?
Los intentos de encontrar respuestas a preguntas como estas son el enfoque de muchas
investigaciones experimentales y teorías actuales, no sólo sobre relámpagos, pero también sobre
descargas eléctricas en general.
6.3. Validación y pruebas de los ESE.
Los métodos que se han usado para evaluar el funcionamiento de los sistemas ESE, principalmente
son los siguientes:
a. Pruebas en laboratorios a escalas pequeñas; en las cuales las descargas atmosféricas o los
efectos de las mismas descargas, son simuladas aplicando impulsos de alto voltaje a pares
de electrodos separados lo más que permiten las dimensiones del laboratorio.
b. Simulaciones teóricas del fenómeno de la descarga atmosférica que permiten predecir los
aspectos de propagación y de las distancias de impacto.
c. Pruebas de campo exteriores, que incluyen observaciones de descargas activadas por
disparadores artificiales, a nubes cargadas para provocar descargas naturales de nube a
tierra
En esta sección se describen dichas pruebas, y se analizan las ventajas desventajas; en especial
los aspectos que se han logrado comprobar que nos permiten aplicar para la validez de estos
métodos de protección y de las propias pruebas.
6.3.4. Pruebas de Laboratorio de Pequeña Escala
Se ha ganado una considerable comprensión acerca de la física de la naturaleza de los rayos a partir
de estudios a escala de laboratorio de electricidad, ruptura del dieléctrico y generación de chispas
en entrehierros “largos”, con un espaciamiento típico de entre 2 m y 1,5 m. Gaps con largos
espacios de aire también se han utilizado para probar el rendimiento de los pararrayos, incluidos
los dispositivos ESE, tanto en laboratorios con ambiente cerrado, controlado, como en ambientes
abiertos al aire libre. Una crítica obvia detales pruebas es que incluso un espacio de 1,5 m es al
menos dos órdenes de magnitud más pequeña que la altura de una nube sobre la superficie del
terreno, desde donde se origina un rayo típico. Algunos han considerado que una extrapolación
tan grande es inaceptable y esencialmente hace que las pruebas a escala de laboratorio sean
inútiles para evaluar el desempeño de los pararrayos ESE o de cualquier otro dispositivo de
captación de las descargas.
Se puede argumentar, sin embargo, que para los propósitos de prueba e investigación del
rendimiento de pararrayos, probablemente no sea necesario simular un rayo completo de nube a
tierra en el laboratorio (sería imposible). Solo se requiere que se realice una simulación realista del
paso del líder ascendente su encuentro con el descendente hasta el impacto de la descarga,
cunado la descarga se acerca al pararrayos. Esto reduce la escala y simplifica enormemente el
problema, pero todavía deja una tarea que pone a prueba las limitaciones de las instalaciones de
laboratorio actuales. Por ejemplo, para simular toda la gama y etapas del proceso de la descarga
según las distancias probables de ocurrir en el ambiente natural, sería necesario realizar pruebas
utilizando distancias entre electrodos en exceso de 100 m. Las aberturas o gaps actualmente
disponibles en los laboratorios más grandes son más pequeñas que esto en aproximadamente un
orden de magnitud. Aunque se pueden lograr algunas ganancias en el espaciamiento de los
espacios moviéndose al ambiente exterior, uno todavía encontrara las limitaciones de voltaje
impuestas por el impulso disponible en los generadores, incluso en los laboratorios más grandes
en los que se han probado los dispositivos ESE, no existe ninguna disposición para simular todos
las condiciones bajo las cuales se producen los rayos en el medio ambiente natural. Se recordará
que los rayos naturales exhiben una variabilidad estadística significativa en parámetros como la
corriente, la distancia media de impacto y el ángulo de aproximación con respecto a cualquier
pararrayos vertical. También suele ocurrir en condiciones en las que puede haber una carga
espacial significativa presentes debido a descargas puntuales locales y donde la humedad y los
niveles de humedad de la superficie del aire son relativamente altos. Es más, los vientos fuertes
también tienden a estar asociados con la ocurrencia del relámpago. Debe reconocerse que
parámetros tales como la humedad, la carga espacial y el viento no son independientes. Por
ejemplo, se espera que la tasa de desarrollo de la carga espacial aumente dependiendo de la
humedad y el viento, que actuando eficazmente para redistribuir la carga espacial una vez que se
haya formado. A pesar de que la influencia de factores como la carga espacial y la humedad se han
investigado en las pruebas de laboratorio, no se tiene claro que las innumerables condiciones que
pueden existir en la atmósfera natural durante una tormenta eléctrica puedan simularse
adecuadamente en las instalaciones de laboratorio actuales. El grado y la precisión a la que puede
ser necesario simular todas las condiciones es ciertamente un tema de debate.
Otro aspecto concerniente sobre la validez de las simulaciones a pequeña escala es la magnitud y
la intensidad en que la descarga producida es más o menos similar al relámpago. Hay evidencia,
por ejemplo, de que la corriente y las velocidades de propagación con las cuales los líderes
generados a escala de laboratorio, difieren considerablemente de los asociados con los rayos
naturales. Parecería que se requieren más investigaciones sobre comparaciones entre las
propiedades de simulados y naturales que pueden requerir las descargas en estas pruebas, antes
de que se confíe más en los análisis y resultados que puedan generar, para evaluar el rendimiento
de los pararrayos o terminales aéreos. El ajuste de los parámetros de laboratorio para producir
chispas largas que coincidan con las características de las descargas atmosféricas naturales, supone
un conocimiento completo de las características del proceso de la descarga atmosférica natural.
La extensión en que nuestros conocimientos sobre el proceso completo de los rayos se hagan
suficientemente conocidos, aún está abierta a debate. Las similitudes y diferencias entre la
naturaleza de los relámpagos y chispas largas producidas en el laboratorio se han discutido
extensamente, no obstante aún queda mucho por investigar.
En todo caso, a pesar de las limitaciones actuales, las pruebas de laboratorio junto con análisis
diagnósticos del comportamiento eléctrico y óptico, probablemente ofrecerán la mejor opción
para aprender sobre los mecanismos físicos, el funcionamiento y el rendimiento de los dispositivos
de protección contra rayos en un marco de tiempo razonable. Las pruebas de laboratorio son
especialmente útiles para investigar los factores que influyen en la iniciación de la corriente de
cargas (streamer), desde una terminal aérea, y parece mucho lo que se ha aprendido y que todavía
queda por aprender, sobre el proceso de formación de la descarga inicial para ambos tipos de
tecnología de protección ESE y Puntas Franklin. Muchos laboratorios se han configurado para
simular diferentes aspectos de las descargas atmosféricas, y aunque la mayoría de ellos no están
diseñados específicamente para probar dispositivos de protección contra rayos, algunos de los
métodos de diagnóstico avanzados desarrollados en estos laboratorios podrían encontrar
aplicación en las pruebas de terminales aéreas.
Debido a la gran variabilidad estadística en el comportamiento de los rayos, es poco probable que
se pueda realizar una única configuración de prueba que se pueda utilizar para caracterizar
completamente el rendimiento de todos los dispositivos de protección contra rayos. En el futuro,
probablemente será necesario considerar un conjunto de configuraciones de prueba de
laboratorio que representan el rango de comportamiento de los rayos que realmente se puedan
encontrar en el medio ambiente. En la actualidad parecería que estamos muy lejos de tener una
prueba de laboratorio con procedimiento estándar para los sistemas de protección contra rayos.
Las influencias de parámetros como la humedad, la carga espacial y el viento son aún temas
pendientes de investigación.
Con todo lo anterior, se recomienda tener precaución al sacar conclusiones cuantitativas
significativas acerca de las prestaciones comparativas de diferentes sistemas de protección contra
rayos en el entorno natural a partir de ensayos a pequeña escala. Hay muchas razones para dudar
de los resultados de pruebas simultáneas de dos o más dispositivos que están colocados lo
suficientemente cerca como para estar dentro del supuesto rango de protección de cada uno. Bajo
tales condiciones, la presencia de un dispositivo puede modificar significativamente la
configuración del campo eléctrico de otro dispositivo (y viceversa) y, por lo tanto, afectar su
desempeño.
6.3.4. Simulaciones de pruebas con modelos teóricos
Con el impulso de la computación de alta velocidad, se ha vuelto factible considerar el uso de
simulaciones teóricas del rayo como herramienta para evaluar el desempeño de un sistema de
protección contra rayos. En los últimos 10 años, ha sido importante, el progreso en el avance
tecnológico, lo cual ha facilitado la comprensión del mecanismo comprensión de la iniciación de
las descargas eléctricas y en el modelado de descarga corona por efecto de la corriente de cargas
líder (streamer-leader) y su propagación en pequeñas y grandes aberturas o espacios de aire. Sin
embargo, la teoría del rayo aún se encuentra en etapa de desarrollo y continúan apareciendo
nuevos resultados en la literatura. En la actualidad, no existe un modelo "estadístico" para la
descarga atmosférica o el rayo. Los modelos existentes emplean muchas simplificaciones, artificios
matemáticos y aproximaciones que no pueden ser criticadas o analizadas en este documento.
Basta con decir que son generalmente diseñados para permitir la mejor observación a escala de
laboratorio de intervalos de tiempo prolongados, alcanzado el nivel de sofisticación necesario para
dar cuenta de la amplia gama de complejos comportamientos estadísticos y de hecho sobre las
características del rayo natural. El comportamiento estocástico de fenómenos relativamente
simples tales como el desarrollo de la avalancha de electrones y del efecto corona se ha tratado
recientemente en modelos teóricos.
En la medida en que a los dispositivos ESE, se les pueda atribuir eficacia en su capacidad para
mejorar el inicio de una corriente de cargas ascendente (Streamer), en el campo eléctrico de un
líder descendente, mediante modelos usados para estimar su desempeño, comparados con
terminales convencionales o puntas Franklin, se debe contar con las estadísticas de inicio de
descarga, es decir, deben ser capaces de predecir los desfases de tiempo aplicables a las
condiciones ambientales de la terminal. Desafortunadamente, el perfil de los lapsos de tiempo
estadísticos es muy complejo y es generalmente evitado en los modelos que se simulan en los
sistemas de computación disponibles, para el estudio de las descargas atmosféricas. La
complejidad del problema es clave y se debe en parte a una falta de conocimiento sobre los
procesos microscópicos para la liberación de electrones, lo cual impide obtener datos y el
comportamiento estadístico de la avalancha de electrones desarrollados en campos eléctricos no
uniformes, particularmente bajo la multitud de condiciones que se pueden encontrar en la punta
de un terminal de pararrayos, ubicado en su ambiente natural.
Un área en la que la teoría se muestra prometedora para la evaluación de puntas de pararrayos,
está en la predicción de las distancias de impacto. Suponiendo que se conoce la distribución de la
carga eléctrica dentro del camino del líder descendente que se aproxima, se pueden hacer
estimaciones a partir de cálculos de campo electrostático del campo instantáneo en un conductor
cercano, por ejemplo, una varilla vertical conductora. Suponiendo una distribución de carga
relativamente simple en el canal líder, por ejemplo, una distribución cilíndrica linealmente
uniforme, lo cual algunas veces permite, expresar el campo en el terminal debido a ese líder en
con cierto grado de certidumbre. Cálculos de este tipo que toman en consideración la amplia gama
de posibles condiciones del líder (definido por parámetros tales como carga, longitud y posición)
podría ser útil para estimar los rangos máximos de protección. En esencia, dichos cálculos, cuando
se acoplan al criterio de incepción, determinan los lugares donde un líder que avanza produce una
fuerza de campo eléctrico en la punta terminal suficiente para permitir el desarrollo de corrientes
de carga (Streamer). Debe entenderse, sin embargo, que estos cálculos proporcionan información
geométrica que es aplicable a todos los terminales de la misma configuración o forma geométrica
en general, independientemente de si están equipados o no, con un dispositivo ESE. A este
respecto, no arrojan información o resultados específicos sobre el desempeño del propio
dispositivo ESE, a menos que el dispositivo funcione de tal manera que al aplicar un impulso de
voltaje, aumente el potencial de la punta del conductor (Varilla del pararrayo) con referencia a
tierra durante la aproximación de un relámpago o descarga atmosférica. Tal voltaje aplicado,
crearía un campo que se suma al campo de líder descendente, suponiendo de esta forma, el
aumento del máximo rango de protección. (No está claro que cualquier dispositivo ESE
actualmente y en la realidad haga esto, y si lo hacen, no se ha podido encontrar información en la
literatura de los promotores, que indique que, en algún momento anterior, se han hecho cálculos
como el mencionado en este párrafo.)
Las críticas que se pueden formular sobre los cálculos de la distancia de impacto actuales, se
relacionan con su naturaleza semi-empírica y el hecho de que se basan las distribuciones de carga
de la corriente del líder que pueden ser o son poco realistas no han sido confirmados por
observaciones de descargas de rayos reales. Además, estos cálculos no tienen nada que considere
los efectos de la carga espacial atmosférica cerca del nivel del suelo.
La validación de los modelos de rayos mediante la comparación de los resultados calculados con
las observaciones realizadas durante los rayos naturales presenta un gran desafío para los teóricos.
El modelo completo debe tener en cuenta todas las propiedades observadas del rayo, como la
corriente medida, los espectros de emisión óptica y de radiofrecuencia, la velocidad de
propagación, etc., desafío se hace especialmente difícil por la amplia variabilidad estadística en el
comportamiento de los relámpagos y la escasez de conjuntos de observaciones en rayos
individuales. Sin embargo, parecería que el método de predicción de distancias de impacto
mediante la simulación del efecto de un líder que se acerca es prometedor y debería buscarse una
mejora. Esto posiblemente ofrece el mejor enfoque para responder algunas de las preguntas
difíciles y controvertidas asociadas con determinaciones realistas de zonas de protección que se
discutirán más adelante en este informe.
6.3.4. Pruebas de campo, usando descargas naturales o provocadas artificialmente
Tal vez el método más fácil y menos controvertido para probar los sistemas de protección contra
rayos es observar su rendimiento en el entorno natural durante el tiempo real de tormentas
eléctricas: Sin embargo, este enfoque no es tan fácil y tampoco se escapa de la controversia como
pueda parecer a primera vista. Ante todo, con la excepción de las torres inusualmente altas, como
el edificio Empire State, los rayos caen en cualquier lugar, en terrenos relativamente planos donde
se coloca un pararrayo, aunque esto es extremadamente infrecuente, debido a la baja altura de
un terreno plano. Incluso en lugares que puedan experimentar una alta tasa de rayos, como en
algunos partes del centro de Florida, es probable que el número de descargas registradas en de
impactos de descargas nube tierra, en un kilómetro cuadrado de área (1 Km2), este alrededor de 5
por mes en promedio, durante el pico de la temporada de tormentas eléctricas. Claramente, en
este caso, si es por activación natural, 1 rayo cae sobre el mismo terminal 1 o 2 veces al año, por
lo cual toma un tiempo extremadamente largo para adquirir suficientes datos sobre su desempeño
para que sea estadísticamente significativo. Esto hace que un estudio con descargas activadas en
forma natural, tome muchos años, con el riesgo de que los datos recabados no sean suficientes.
Intentos recientes de probar terminales aéreas ubicadas en elevaciones altas, en el tope de cimas
de montañas de Nuevo México donde hay una alta frecuencia conocida de rayos, ha demostrado
que los rayos rara vez impactan una misma punta terminal, independientemente de si está o no
equipado con un dispositivo. Adicionalmente se informe, que algunos impactos aislados se
originaron en zonas que no necesariamente estaban dentro de las supuestas zonas de protección
de los terminales o puntas ESE instalados, parecería que la abrumadora mayoría de los impactos
de descargas atmosféricas al área de pruebas de los terminales de protección en la montaña
estaban o cayeron a una distancia considerable de cualquier terminal. En cualquier caso, la falla de
las terminales aéreas para atraer rayos en las montañas a elevaciones de 3000 m (9843 pies) o más
es obviamente perturbador y plantea interrogantes sobre la interpretación de tales observaciones.
Antes de que se saquen conclusiones serias sobre el rendimiento de los dispositivos de atracción
de rayos a partir de las pruebas realizadas en las cimas de las montañas, puede ser necesario
considerar el efecto perturbador de la montaña misma sobre parámetros tales como la distribución
de carga superficial y el perfil del campo eléctrico bajo una nube tormentosa, así como la medida
en que el trazado del rayo en elevaciones tan altas difieren de los que normalmente ocurren en
lugares más bajos y planos. Parecería que las respuestas a algunas de estas preguntas ya se
deberían poder encontrar en la literatura de fabricantes y promotores de estos diseños.
Se nota en algunos documentos que el relámpago que ocurre en zonas de mayor altitud,
generalmente difiere en promedio de las que ocurren al nivel del mar, sin ninguna otra diferencia
o aspecto que no sea menos distancia a cubrir al ir desde la nube al suelo. A una altura de 3000 m,
del suelo puede estar muy cerca de, o incluso en la base sumergida de una nube de tormenta.
Ciertamente, el resultado de las pruebas de alta montaña no pueden descartarse, y tales pruebas
deben continuar, al igual que pruebas similares en curso en otros lugares. El problema es cómo
interpretar los resultados de estas pruebas e inferir lo que podrían implicar sobre el desempeño
de la terminal aérea que se esté probando en diferentes elevaciones o montañas zonas más bajas,
y en especial lo que se debe indicar sobre la influencia de terrenos montañosos y/o rocosos, sobre
la efectividad de protección de una terminal aérea.
Las probabilidades estadísticas desfavorables asociadas con los rayos se pueden superar
parcialmente mediante el uso de rayos activados artificialmente. Las pruebas han demostrado que
un rayo puede ser disparado con una probabilidad razonablemente alta por un cohete (Dispositivo
iniciador) lanzado a una nube tormentosa. Un cable flexible con suficiente resistencia mecánica,
de arrastre largo es generalmente unido al cohete, que proporciona un camino de baja resistencia
para guiar la descarga inicial y definir su dirección de propagación. Facilidades de transporte
móviles, han sido desarrolladas para la activación de cohetes de rayos que se puede utilizar para
realizar pruebas en casi cualquier lugar. A pesar de que Las pruebas de terminales aéreas se
realizan mediante el uso de activación del rayo, existen preguntas que pueden plantearse sobre el
significado de dichas pruebas. Hay evidencia de que los rayos desencadenados son diferentes del
rayo natural tanto en su intensidad como en su característica de propagación. En particular, se ha
observado que el rayo activado de esta forma, es de corriente más baja que el rayo natural y exhibe
características más parecidas a las de los rayos de retorno observados en el rayo natural. También
se ha argumentado que los rayos desencadenados no imitan satisfactoriamente la descarga
primaria y, por lo tanto, no es adecuada para la investigación de la conexión a pararrayos puestos
a tierra, es decir, su uso en la evaluación de terminales aéreas parecería ser cuestionable. La
medida en que disparados por cohetes el relámpago se comporta como un relámpago natural
parece depender de la longitud del cable de arrastre y la distancia del cable sobre tierra cuando
ocurre la descarga. A pesar de las críticas válidas, esencialmente no se ha podido encontrar
información en la literatura de los fabricantes o impulsores de los ESE sobre los resultados de
pruebas realizadas en terminales aéreas utilizando rayos provocados artificialmente.
Aunque las pruebas de terminales aéreas que utilizan descargas aéreas naturales, tienen
limitaciones obvias, recomendamos monitoreo continuo o a largo plazo de rayos alrededor de las
terminales aéreas durante la actividad de tormentas. Datos de estos monitoreos podrían resultar
de utilidad para identificar las condiciones bajo la cual es probable que fallen los dispositivos de
protección contra rayos. Es cierto que es difícil sacar conclusiones significativas de eventos
aislados. Sin embargo, se puede argumentar que los registros de descargas atmosféricas
anteriores han demostrado ser de mucha utilidad revelando formas inusuales de comportamiento
de los rayos que deberían ser considerados en los métodos de diseño de pruebas de laboratorio o
simulaciones por computadora, para el uso en la evaluación de pararrayos
7. Historia de los conflictos de los fabricantes de ESE con las normas NFPA,
IEEE
La historia de estos conflictos es publica conocida por profesionales interesados en el campo de normas
de protección con descargas atmosféricas, las mismas se inician en la década del año 90, y aunque
recibieron mucha publicidad, el accionar de los proponentes a llevado a callar un poco el tema; sin
embargo consideramos de interés incluirla en esta recopilación para beneficio de los lectores
potenciales usuarios de sistemas de protección contra descargas atmosféricos. Para esta reseña,
tomaremos como base publicaciones de la National Lightning Safety Institute (NLSI), según el LINK
http://lightningsafety.com/nlsi_lhm/nfpa_ese_std.html , en cuya página de internet, se pude encontrar
lo siguiente:
“La historia relevante puede resumirse como sigue. El Comité Técnico sobre Sistemas de Protección
contra Rayos que Usan Terminales Aéreas de Emisión Temprana de Streamer (ESE) se formó en enero
de 1991. La propuesta NFPA 781, Norma para la Protección contra Rayos usando Terminales Aéreas de
Emisión Temprana de Streamer, se publicó para revisión pública y comentarios en los Informes del
Comité Técnico de la Reunión de Otoño de 1993. Luego se presentó a la reunión de otoño de 1993 en
noviembre de 1993, donde los miembros de la NFPA votaron para devolver el documento al comité.
Después de esa reunión, se presentó una Queja al Consejo de Normas solicitando que el Consejo rechace
el voto de los miembros de la asociación y, en su lugar, emita de inmediato la propuesta NFPA 781. El
Consejo concluyó que el voto de los miembros que recomendaba la devolución del documento al comité
indicaba que "todavía no se ha logrado el consenso necesario para emitir el documento". El Consejo
concluyó además que esta falta de consenso se deriva de "cuestiones genuinas y legítimas sobre si se ha
demostrado adecuadamente que la tecnología de emisión temprana de corrientes de cargas (Streamer)
es efectiva". El Consejo, por lo tanto, aplazó la decisión sobre la emisión del documento propuesto para
permitir una revisión independiente por parte de un tercero de la información actualmente disponible
con respecto al concepto de Emisión temprana de cargas - Streamer (ESE). (Decisión del Consejo de
Normas Fijas del 12 de enero de 1994, D #94-Il.)
A partir de entonces, la Fundación de Investigación de Protección contra Incendios dispuso que el
Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) realizara la revisión independiente de terceros
solicitada por el Consejo de Estándares. El informe final del NIST estuvo disponible en abril de 1995 y el
Consejo convocó una audiencia, que tuvo lugar el 18 de julio de 1995, para considerar ese informe.
Después de la audiencia, el Consejo emitió una decisión en la que concluyó que, con base en el informe
del NIST y otra información que se había presentado al Consejo, la NFPA 781 propuesta no debería
emitirse. Para llegar a esta conclusión, el Consejo señaló lo siguiente:
La NFPA 781 propuesta se basa en la suposición de que los terminales ESE brindan una mayor zona de
protección que los terminales convencionales. Además, no se discutió que la norma NFPA 781 propuesta
permitiría que los sistemas ESE utilicen muchos menos terminales y una separación mucho mayor entre
terminales que en un sistema convencional comparable instalado de acuerdo con la norma NFPA 780.
Dada la ausencia de evidencia confiable de que esas terminales ESE ofrecen una zona aumentada de
protección sobre la de los terminales convencionales, parece claro que no se ha demostrado una base
técnica sólida para la NFPA 781 propuesta.
El Consejo continuó señalando que el informe del NIST no "invalidaba el concepto ESE, simplemente
concluye que la evidencia de que los sistemas ESE brindan una mejora significativa sobre los sistemas
convencionales no se ha desarrollado lo suficiente". El Consejo señaló que el informe pedía más
investigación destinada a responder las muchas preguntas aún sin respuesta sobre los rayos en general
y el concepto ESE en particular. El Consejo concluyó:
Dado el estado actual del conocimiento, no parece que el tipo de investigación y evaluación adicional
recomendado por el Informe NIST estará disponible a corto plazo. En opinión del Consejo, por lo tanto,
la continuación de las actividades de desarrollo de normas para los sistemas ESE, en la actualidad, no
tendría ningún propósito útil. En consecuencia, el Consejo votó para dar de baja al Comité Técnico sobre
Sistemas de Protección contra Rayos que Usan Terminales Aéreas de Emisión Temprana de Streamer
(ESE) con agradecimiento por sus esfuerzos. Al hacerlo, el Consejo no desea dar a entender que la NFPA
está impidiendo el desarrollo de normas futuras en esta u otras nuevas áreas de protección contra rayos.
Más bien, insta a los defensores de esta o cualquier otra tecnología alternativa de protección contra
rayos que actualmente no cubre NFPA 780 a solicitar al Consejo siempre que crean que se puede
argumentar que la tecnología ha sido suficientemente validada para permitir el desarrollo de estándares
significativos. (Ver Decisión del Consejo de Normas del 18 de julio de 1995, D #95-26).
Tres años más tarde, en 1998, un representante de I-Heary Bros. Lightning Protection Co. Inc., Lightning
Preventor of America, Inc. y National Lightning Protection Corp. (los principales defensores de ESE), hizo
una solicitud al Consejo de Normas para solicitar al Consejo que reabra los procedimientos para la
emisión de una norma para los sistemas de protección contra rayos ESE y que realice una revisión de
nuevo, volviendo a sopesar y considerando toda la evidencia nuevamente, incluida la evidencia que no
estaba disponible anteriormente. La solicitud buscaba específicamente que el Consejo de Normas
reabriera el procedimiento y reconsiderara la emisión de una norma para los Sistemas de Protección
contra Rayos ESE en los términos establecidos en un acuerdo de conciliación propuesto que resolvería
el litigio de las partes solicitantes contra la NFPA (Acuerdo de Conciliación). En Decisión del 8 de octubre
de 1998 (D #98-40), el Consejo votó a favor de conceder la solicitud y se comprometió a reabrir el
procedimiento para considerar la emisión de una norma para los Sistemas de Protección contra Rayos
ESE de conformidad con los términos de la Acuerdo de conciliación, cuya copia se hizo parte del
expediente.
De conformidad con la decisión del Consejo y los términos del Acuerdo de Conciliación, el Consejo
autorizó la creación de un panel independiente para considerar la información presentada por cualquier
persona interesada y emitir un informe sobre la tecnología de protección contra rayos ESE al Consejo de
Normas. El panel se encargó de abordar los siguientes temas y cualquier otro tema que considerara
relevante: (1) si la tecnología de protección contra rayos ESE es científica y técnicamente sólida; y (2) si
la tecnología de protección contra rayos ESE está respaldada por una base teórica científica y pruebas
de laboratorio adecuadas.
Según lo propuesto por los principales proponentes de ESE y establecido en el Acuerdo de conciliación,
el panel estuvo presidido por el Dr. John L. Bryan, Ph.D. El Dr. Bryan eligió, como miembros adicionales
del panel, a Richard Biennann y Glenn Erickson. Después de solicitar la opinión del público, el Panel
desarrolló su Informe (Informe del Panel de Bryan), y el Consejo recibió el Informe en su reunión del 30
de septiembre de 1999. El Consejo votó para hacer el Informe y cualquier material presentado al panel
en relación con el Informe, disponible para revisión y comentarios públicos y para celebrar una audiencia
en su reunión del 27 de abril de 2000 para considerar el Informe y las solicitudes relacionadas.
Esa audiencia ya ha tenido lugar y, habiendo reabierto el procedimiento sobre la emisión de una norma
para los Sistemas de Protección contra Rayos ESE, el Consejo debe, ante todo, hacer lo que acordó hacer
en su decisión del 8 de octubre de 1998. Específicamente el Consejo se comprometió bajo los términos
del Acuerdo de Conciliación, a considerar la emisión de un estándar para los sistemas ESE que sería
"separado y distinto de NPPA 780". (Acuerdo de conciliación en I, f, p.4) Más específicamente, el Acuerdo
establecía:
El Consejo de Normas tomará la determinación de acuerdo con las normas y reglamentos de la NFPA en
cuanto a emitir una norma de la NFPA para la tecnología de protección contra rayos ESE. Al tomar esa
determinación, el Consejo de Normas actuará de buena fe, de manera justa y sin prejuicios, dando la
debida consideración a los criterios aplicados habitualmente en el pasado al emitir otras normas de la
NFPA. Entre los criterios que debe aplicar el Consejo de Normas al tomar su determinación, está si la
tecnología de protección contra rayos ESE es científica y técnicamente sólida, promueve la creatividad y
la innovación en el desarrollo de nuevos métodos y tecnologías, y si el borrador NFPA 781 [modificado
de acuerdo con otra disposición del Acuerdo de conciliación] constituye un estándar razonable destinado
a minimizar la posibilidad y el efecto de incendios y peligros relacionados. El Consejo de Normas, al
examinar este asunto, realizará una revisión de nuevo, sopesando y considerando nuevamente todas las
pruebas. (Acuerdo de Transacción l,a,p. 3)
En pleno cumplimiento de lo anterior, y luego de una revisión de todo el expediente ante él, el Consejo
tomó la determinación de no emitir un estándar NFPA para los sistemas de protección contra rayos
ESE y no iniciar más actividades de desarrollo de estándares en este momento con el objetivo de
renovar el procesamiento de tal norma.
Al abordar las alternativas disponibles, el Consejo primero observa que una norma sobre los sistemas de
protección contra rayos ESE nunca ha logrado consenso dentro del sistema de desarrollo de códigos y
normas de la NFPA. (Consulte la Decisión del Consejo de Normas del 12 de enero de 1994, D# 94-11). La
emisión inmediata de una norma propuesta que no haya recibido la recomendación positiva de los
miembros de la NFPA no tendría precedentes, y aunque el Consejo tiene amplia autoridad, solo tomaría
tal acción si se presentaran razones muy poderosas para hacerlo. Como quedará claro, el Consejo no ha
encontrado ninguna base sobre la cual emitir una norma para los sistemas de protección contra rayos
ESE.
Como alternativa, si el Consejo creyera que ahora se ha argumentado que la tecnología ESE se ha
validado de una manera que garantizaría el desarrollo de un estándar separado para los sistemas ESE, el
Consejo podría ordenar el procesamiento renovado de una NFPA 781 propuesta a través del sistema de
desarrollo de códigos y normas NPPA, ya sea mediante la asignación del tema a un nuevo proyecto de
sistemas de protección contra rayos ESE o a una versión reestructurada del proyecto de protección
contra rayos existente. En este sentido, los principales defensores de un estándar para los sistemas de
protección contra rayos ESE han sugerido un proyecto de protección contra rayos reestructurado que
comprende "subcomités" separados para los sistemas Faraday y ESE. Sin embargo, el Consejo también
ha rechazado esta alternativa, porque no cree que la tecnología ESE haya sido suficientemente validada
para justificar más actividades de desarrollo de estándares destinadas a crear un estándar separado para
los sistemas de protección contra rayos ESE.
Como se indicó anteriormente, la decisión anterior del Consejo en julio de 1995 de no emitir la NFPA 781
propuesta y de discontinuar el proyecto del comité técnico de ESE se basó en el hecho de que "dada la
ausencia de evidencia confiable de que las terminales de ESE ofrecen una mayor zona de protección
sobre la de los terminales convencionales, parece claro que no se ha demostrado una base técnica sólida
para emitir la nueva norma 781 propuesta". (D #95-26). Nada en el expediente ahora ante el Consejo ha
proporcionado esa evidencia confiable o ha causado que el Consejo, en su reevaluación de nuevo de
todo el asunto, como para que llegue a una conclusión diferente.
En particular, los hallazgos principales del Informe del Panel Bryan respaldan la conclusión del Consejo.
Específicamente, el Informe del Panel señaló que, si bien las terminales aéreas ESE parecen ser
técnicamente sólidas en el sentido limitado de que generalmente son equivalentes a la Terminal Aérea
Franklin convencional en experimentos de laboratorio, el Panel encontró que las afirmaciones de áreas
mejoradas de protección y los elementos esenciales del sistema de puesta a tierra no ha sido validado.
Específicamente, el Informe del Panel dice en la página 26:
La tecnología de protección contra rayos ESE, tal como se desarrolla actualmente en la instalación de
sistemas completos, no parece ser científica y técnicamente sólida en relación con las áreas de
protección reclamadas o los elementos esenciales del sistema de puesta a tierra.
El informe agrega en la página 27:
No parece haber una base teórica adecuada para las áreas de protección mejoradas reivindicadas con
conductores de bajada y sistema de puesta a tierra limitados.
Dados estos hallazgos, que, en opinión del Consejo, están respaldados por el expediente en su conjunto,
el Consejo no cree que haya ninguna base para emitir una norma separada, como la NFPA 781 propuesta,
para los sistemas de protección contra rayos ESE o para renovar las actividades de desarrollo de normas
destinadas a crear dicha norma. Como se destacó a lo largo de los extensos procedimientos sobre este
asunto, la premisa del estándar ESE propuesto siempre ha sido que los sistemas ESE pueden operar con
un número mucho menor de terminales ESE en relación con los sistemas convencionales. Esta premisa
se basó, a su vez, en afirmaciones de áreas de protección mucho mayores proporcionadas por estos
terminales. Además, como ha señalado el Panel de Bryan, estos sistemas se basan en conductores de
bajada y sistemas de puesta a tierra limitados en comparación con los sistemas convencionales. Como
ha encontrado el Panel, simplemente no parece haber una base adecuada para las áreas de protección
mejoradas reclamadas con conductores de bajada limitados y sistemas de puesta a tierra sobre los cuales
se ha basado y se sigue basando una norma separada propuesta para los sistemas de protección contra
rayos ESE. En ausencia de una base para los reclamos de protección mejorada, no es apropiado que la
NFPA desarrolle un estándar basado en tales reclamos.
En resumen, aunque el Consejo ha revisado este tema nuevamente, basado en todo el expediente que
tiene ante sí, ha llegado a conclusiones similares a las que llegó cuando consideró este asunto
anteriormente en julio de 1995. Ha llegado a la conclusión de que no hay ninguna base en esta vez para
que el Consejo emita un estándar para los sistemas de protección contra rayos ESE. Además, dada la
falta de validación de las afirmaciones principales hechas para la tecnología ESE, la actividad renovada
de desarrollo de estándares para desarrollar un estándar para los sistemas ESE no sería apropiada, en
opinión del Consejo. Como ha dicho en el pasado, el Consejo no está excluyendo futuras actividades de
desarrollo de normas en caso de que el estado del conocimiento evolucione para justificarlo. En caso de
que surja esa eventualidad, las partes interesadas deben dirigir solicitudes para iniciar dicho proyecto al
Consejo.
La discusión anterior elimina la cuestión de si emitir un estándar para los sistemas de protección contra
rayos ESE o renovar las actividades de desarrollo de estándares destinados a desarrollar dicho estándar.
Sin embargo, además de sus conclusiones y recomendaciones pertinentes a esa pregunta, el Panel de
Bryan formuló conclusiones y recomendaciones adicionales relacionadas con el documento existente de
protección contra rayos de la NFPA, NFPA 780, Norma para la instalación de sistemas de protección
contra rayos, y al comité técnico responsable de ese documento. Consulte el Informe del panel de Bryan
en Ill, C, páginas 27 a 29. El informe también hace recomendaciones para ciertas "iniciativas de la NFPA"
destinadas principalmente a realizar investigaciones y obtener datos sobre incidentes de rayos. Consulte
el Informe del panel de Bryan en 111, D, páginas 29 a 30.
Si bien estas recomendaciones pueden merecer una mayor consideración, el Consejo señala que, aunque
el Panel podría abordar cualquier tema que "considerara relevante", el Panel no estaba específicamente
encargado de abordar estos temas. Particularmente con respecto a las recomendaciones relativas a
NFPA 780, no hubo una oportunidad razonable para que las partes interesadas presentaran información
y puntos de vista al Panel sobre este tema y, por lo tanto, el Consejo se muestra reacio a considerar estas
recomendaciones en este momento. El Consejo observa, en cualquier caso, que NFPA 780 está
actualmente completando un ciclo de revisión y una nueva edición está a punto de ser presentada para
mociones y debate durante la Sesión Técnica del 17 de mayo de 2000 del Congreso Mundial de Seguridad
contra Incendios de NFPA en Denver.
El Consejo cree que, como mínimo, ese proceso debe completarse antes de considerar cualquier
problema relacionado con NFPA 780 o cualquier recomendación que el Consejo pueda hacer con
respecto a las iniciativas del personal de NFPA relacionadas con la protección contra rayos. Si, por
ejemplo, hay una moción para devolver NFPA 780 al comité que plantea cuestiones relacionadas con la
validez del documento (como se hizo en 1995 [ver la decisión del Consejo de Normas del 18 de julio de
1995, D#95-25]) o que cuestiona la idoneidad de designar el documento como una norma, en lugar de
una guía o una práctica recomendada, el debate que sigue a dicha moción sería útil para que el Consejo
considere otras apelaciones relacionadas con NFPA 780 y las otras recomendaciones hechas por el Panel
de Bryan . Junto con cualquier apelación o solicitud que reciba, el Consejo considerará cualquier
recomendación relevante en el Informe del Panel Bryan, según corresponda.
Para finalizar, el Consejo desea agradecer al Dr. Bryan y sus co-panelistas, Richard Biermann y Glenn
Erickson por su voluntad de servir en el Panel y por sus esfuerzos en la preparación del Informe del Panel,
que fue de gran ayuda para el Consejo. También desea agradecer a todos aquellos que hicieron
presentaciones al Panel y que participaron en los procedimientos posteriores relacionados con el
Informe del Panel que tuvo lugar ante el Consejo de Normas.
8. Experiencias previas de protección y fallas de los ESE
Existe extensa literatura en las redes, que da cuenta de numerosas fallas de protección contra descargas
atmosféricas de los dispositivos ESE; no obstante por lo extenso de los documentos y las complicaciones que sus
publicaciones puedan significar, solo mencionaremos un par de ellos, con el objetivo de que queden como
referencia y consulta cuando sea necesario tratar el tema de Fallas de los dispositivos ESE. Ver en el Anexo 2,
imágenes de casos de fallas de dispositivos ESE, comprobadas y de conocimiento público.
Según la premisa anterior, podemos mencionar los siguientes documentos:
 Close Proximity Bypasses to Collection Volume and Early Streamer Emission Air Terminals escrito por Z.
A. Hartono, I. Robiah – Publicado por Lightning Research Pte. Ltd., Malaysia
 The ESE and CVM Lightning Air Terminals: A 25 Year Photographic Record of Chronic Failures escrito y
publicado por: Z. A. Hartono and I. Robiah – Publicado como parte de la conferencia : APL 2017 The 10th
Asia Pacific International Conference on Lightning - May 16 - 19, 2017, Krabi Resort, Krabi, Thailand
 The Bell Tower Incident At Sigolsheim - A Very Compelling Evidence for the Failure of the Early Streamer
Emission Technology & Standard, escrito por Z. A. Hartono & I Robiah.
 Conventional and Un-conventional Lightning Air Terminals: An Overview - Hartono Zainal Abidin, BSc
(Elect),
MIEEE
Robiah
Ibrahim,
BSc
(Elect),
MIEEE
http://www.lightningsafetyalliance.org/documents/acem_air_terminals.pdf
9. Normas Aplicables
Para hablar de las normas, debemos indicar que en su mayoría son Normas Nacionales de estricta aplicación en
sus países de origen, pero que algunas de ellas han adquirido mayor relevancia, porque son aplicadas
directamente en varios países, y porque en otros sirven de base para códigos nacionales, no obstante estas normas
en su mayoría se refieren a prácticas y requerimientos de instalación, no a tecnologías y la aplicabilidad de las
mismas, en todo caso al establecer algunos parámetros de diseño de sistemas de protección contra descargas
atmosféricas, se puede deducir la aprobación o no de las tecnologías, o por lo menos el establecimiento de
criterios, como es el caso que hace la diferencia en las tecnologías, que es el radio de protección, que se deriva de
la aplicación del método de la esfera rodante, o método electro geométrico, los cuales explícitamente son
definidos en las normas NFPA, IEC, y algunas otras. Debe quedar claro que adoptar otros criterios diferentes a
los en ellas expresado, deja fuera de normas esos diseño, con la consecuente pérdida de protección de contratos
de seguros, donde para poder asegurar una instalación exigen el cumplimiento de las normas, destacando que
las normas mencionadas (NFPA e IEC), originalmente adoptadas por USA y la Comunidad Europea, las cuales han
sido adoptadas por muchos países, o incluso solo por los países originarios de las empresas de seguros que dejan
fuera de cobertura, eventos relacionados con dispositivos ESE, especialmente si se han adoptado radios de
protección mayores a los derivados de la aplicación de las normas aceptadas. A continuación en la Tabla 9.1, con
datos tomados de la Tabla 4.1.2.1, y basados en la norma IEC 62305, incluimos los datos de radios de la esfera
rodante, para la determinación de los radios protección aceptados por esa norma, con sus correspondientes
alcances para los diferentes niveles de protección.
Tabla 9.1 Radios de protección según niveles IEC y NFPA
Radios de Protección según IEC y NFPA
Nivel (I)
Nivel (II)
Nivel (III)
Radio de
Protección
(RP)
IEC 62305
NFPA 780
20 m
30 m
45 m
Nivel (IV)
60 m
47 m (150 pies)
Es importante destacar que los radios a que se refiere la Tabla 9.1., son para el trazado de la esfera por el método
de la esfera rodante, o método electro geométrico, según el cual se determina el radio de protección en dirección
horizontal. A continuación, en la Figura 9.1, se muestra un ejemplo del trazado de la esfera rodante y la
determinación del radio de protección:
Figura 9.1 Ejemplo del trazado de la esfera rodante identificando el radio de protección
La Figura 9.1, muestra el trazado de la esfera rodante, según lo aceptado por las normas NFPA la IEC, no obstante
quienes promueven los dispositivos ESE, se han acercado a este requerimiento de la norma y sus proponentes,
muestran un método que asemejan al requerido por normas, pero que le incluyen el ∆t del líder ascendente con
lo cual pretenden justificar el ∆ del Radio de Protección, que es el punto no respaldado científicamente. A
continuación en la Figura 9.2, se incluye un ejemplo del cálculo del radio de protección según los proponentes de
los dispositivos ESE y algunas normas que les han dado cabida a sus argumentaciones.
Figura 9.2 Ejemplo del trazado de la esfera rodante con radio de protección aumentado
Como se puede ver en la Figura 9.2, se incluye la fórmula de cálculo del radio de protección aumentado,
respaldado por las normas UNE 21186 y NFC 17 102, las cuales en este aspecto son una copia idéntica una de la
otra. Se destaca a continuación la Formula de calculo que corresponde al teorema de Pitágoras, aplicado a un
triángulo conociendo la hipotenusa y uno de los lados.
Donde:
Rp(h) = Radio de protección en función de la altura (m.)
r = Radio de protección según normas IEC 62305 y de acuerdo con el Nivel de Proteccion (m.)
h = Altura desde la superficie protegida a la punta del pararrayos (m.)
∆ = ∆t * 106 m/seg. =Delta o ganancia en distancia radial en función de ∆t, según prueba de cebado
∆t = Delta o ganancia en tiempo del Líder ascendente (Concepto cuestionado) (10 a 60 µseg)
Ahora incluiremos en la Tabla 9.2., un resumen de los diferentes radios de protección, de los fabricantes referidos
en la Sección 6.1.2.1 , donde queda establecido que los fabricantes con sus dispositivos ESE argumentan, o dan la
idea de radios de protección mucho mayores que los especificados por las normas IEC y NFPA.
Tabla 9.2., Resumen de los diferentes radios de protección aumentados
Resumen de radios de protección aumentados según literatura de fabricantes de dispositivos ESE
Figura de Ref. Nivel de
Nivel de
Nivel de
Nivel de
Fabricante
Información
de este
protección protección protección protección
Observaciones
Modelo
Adicional
documento
(I)
(II)
(III)
(IV)
Basados en
Ingesco Series
Alturas de 387
6.1.2.1.1
35 - 80 m
43-89 m
54-102 m
63-114 m
∆t de 15 a
PDC
mm a 587 mm
60µseg.
Basados en
Alturas de 2 m a
Erico series (I)
6.1.2.2.1
17-79 m
25-87 m
25-99 m
25-108 m
∆t de 25 a
8m
60µseg.
Alturas de 2 m a
30 m, aunque
Shirtec Series
recomiendan
6.1.2.2.2
13-80 m
15-90 m
18-104 m
20-116 m
S/I
(S)
altura de
montaje de 5 a 6
m.
Aplicaciones
Basados en
Tecnológicas
Alturas de 2 m a
6.1.2.2.3
13-80 m
15-90 m
18-105 m
20-120 m
∆t de 15 a
DAT
60 m
60µseg.
Controller
Basados en
Preventron SAlturas de 2 m a
6.1.2.2.4
31-79 m
34-88 m
39-99 m
43-109 m
∆t de 10 a
60 / TS10
10 m
60µseg.
Basados en
Alturas de 2 m a
ABB OPR
6.1.2.2.5
19-69 m
22-85 m
25-104 m
28-120 m
∆t de 30 a
60 m
60µseg.
Franklin
Alturas de 2 m a
France - Saint 6.1.2.3.2 (b)
13-80 m
15-90 m
18-105 m
20-120 m
S/I
60 m
Elmo
Indican 4 m
Sabo - LAP
6.1.2.3.3 (b)
39-155 m
45-164 m
53-176 m
60-188 m
S/I
como altura de
instalación.
Como se puede ver en la Tabla 9.2, el aumento del radio de protección para los diferentes niveles, oscila entre 3
y 5 veces lo aceptado por las normas, por lo cual se dice que estos dispositivos no son aceptados por las normas
IEC NFPA y de países seguidores. Más adelante veremos que hay algunos países que han aceptado estos
dispositivos, con algunas condiciones, cuyas condiciones en su mayoría tampoco se cumplen.
A continuación una visión general de las normas en diferentes países:
 Códigos y normas de protección contra rayos de EE. UU.
La guía NFPA-780 "Norma para la instalación de sistemas de protección contra rayos" apareció por primera vez
en 1904 y desde entonces ha sido objeto de 26 revisiones. El Comité Técnico de NFPA-780 tiene una amplia
membresía en grupos de instaladores, seguros, mano de obra, fabricación, gobierno, expertos especiales y
otros. Si bien NFPA-780 no tiene fuerza legal, generalmente se reconoce como el principal documento de
protección contra rayos en los EE. UU. La versión más reciente de 2020 de NFPA-780, actualmente en revisión,
contiene una actualización significativa de la versión anterior.
En el sector del gobierno de EE. UU., en mayo de 2002, el Departamento de Energía publicó "M440.1-1, Protección
contra tormentas eléctricas y rayos", que describe la protección contra rayos para las instalaciones de explosivos
en los 81 sitios nucleares relevantes del país. La Fuerza Aérea modificó "AFI 32-1065 - Grounding Systems" en
febrero de 2003 para proporcionar una guía más detallada para las operaciones de misión crítica del Comando
Espacial de la Fuerza Aérea.
Los documentos de protección contra rayos del sector privado suelen ser específicos de la aplicación. Por ejemplo,
"Motorola R-56 Standards and Guidance for Communications Sites" se revisó en marzo de 2000 a partir de la
versión anterior de enero de 1994. Otras prácticas recomendadas que son útiles para la biblioteca del ingeniero
de protección contra rayos incluyen el "IEEE STD 1100, Equipos electrónicos de alimentación y puesta a tierra", el
"IEEE STD 142, Puesta a tierra de sistemas de energía industriales y comerciales" y el nuevo "FAA STD 019e" de
diciembre de 2005. , protección contra rayos y sobretensiones, requisitos de puesta a tierra, unión y blindaje para
instalaciones y equipos electrónicos".
 Códigos y normas de protección contra rayos de otras naciones
Un examen de otros documentos nacionales de protección contra rayos es educativo e interesante. El acuerdo
general y la armonía de las recomendaciones de diseño son evidentes. Muchos códigos de países, como el CP 33
de Singapur, el AS/ANZ-1786 de Australia/Nueva Zelanda, el SABS-03 de Sudáfrica y el IS-2309 de India, tenían su
herencia original en el documento "más antiguo" de Inglaterra, BS-6651. Otros estándares nacionales, como el
alemán VDE-0185, el chino GB 50057, el ruso RD 34.21.122-87 y el polaco PN-86/E-05003/01, se generaron
internamente. Aparte de los anteriores, que respaldan la protección contra descargas atmosféricas con base a
puntas Franklin, existen dos estándares de protección contra rayos "renegados o contrarios a las practicas
generalmente aceptadas", el francés NFC 17-102 y el español UNE-21186 son respaldos gubernamentales para
sistemas de terminales aéreas de protección contra rayos ESE (early streamer emitter) no aprobados y no
científicos, con ciertas ambigüedades y debilidades para la certificación de estos dispositivos.
En general, varias normas establecen los requisitos para los sistemas de protección contra rayos. A continuación,
resumimos los más relevantes; entre ellos varios estándares nacionales que dan los requisitos para la protección
contra rayos usando terminales aéreas de Emisión Temprana de Streamer (ESE):




UNE 21186 (España);
NFC 17-102 (Francia);
NP 4426 – 2013 (Portugal);
TS 13709 (Turquía);




NC 1185 (Cuba);
NA 33 (Angola);
IRAM 2426:2015 (Argentina);
NA 33:2014 (Angola).
De los anteriores, los más importantes que muchos fabricantes mencionan por su origen y respaldo que le han
dado a los dispositivos ESE, son: la NF C 17-102 de Francia, y las UNE-21186
Por otra parte, la IEC 62305, que es la norma internacional que establece las condiciones parámetros para calificar
si un sistema es necesario y cómo instalar un LPS, incluye una evaluación de riesgos (Análisis de riesgos) y
requisitos para la coordinación de los dispositivos de protección contra sobretensiones, destacando que varios
países europeos han adoptado esta norma, pero existen otras normas nacionales, que también dan los requisitos
para instalar un sistema de protección contra rayos y solo aceptan y recomiendan, LPS con varillas o puntas
Franklin y conductores mallados, como por ejemplo, NFPA 780 (EE. UU.); J-549-ANCE-2005 (México), NBR5419
(Brasil), NTC 4552-3 (Colombia), NTF 599 1 a 4 2013 (Venezuela).
ES importante destacar que algunas normas nacionales Latino Americanas, que dan cabida a soluciones con
pararrayos ESE, condicionan el uso de los mismos, a que deben ser certificados mediante pruebas de cebado
(Medición del ∆t), en Laboratorios de Alta Tensión reconocidos avalados por organismos oficiales, como lo
especifican la UNE 21186 y la NFC 17-102, sin embargo no definen el cómo lograr estas pruebas certificadas,
detalle que además se dificulta porque a nivel mundial existen muy pocos laboratorios que puedan hacer estas
pruebas; quedando de esa forma como un condicionamiento en el aire y que no se cumple.
10.Pruebas y ensayos exigidos por normas
Entre las normas que respaldan los ESE o que incluyen los mismos como métodos validos de protección, está la
UNE 21186:2011 y la NFC 17-102, que en el Anexo C de las dos normas (Las dos normas son idénticas en estas
secciones), refieren algunos requisitos para los dispositivos, que deben ser verificados con ensayos, de los cuales
a continuación hacemos un resumen:
 C1- Condiciones de funcionamiento, donde incluyen requisitos de temperatura y vientos normales y
anormales.
 C2.1- Requisitos Generales: Requisitos de identificación, documentación y marcado.
 C2.2- Requisitos de Cebado, donde establecen que, el cebado del pararrayos (ΔT) se debe determinar
según los procedimientos descritos en el apartado C.3.5. y debe estar entre 10 μs y 60 μs., además
indican:
o Si el resultado de ΔT es menor de 10 μs, el terminal no se considerará un PDC.
o Si el resultado de ΔT es mayor de 60 μs, los cálculos del radio de protección se realizarán
considerando Δ = 60 m.
 C2.3- Requisitos eléctricos: El PDC debe ser capaz de soportar un impulso de rayo de 100 kA (onda
10/350). Se verifica con los ensayos definidos en el apartado C.3.4.
 C2.4- Requisitos mecánicos: Las partes del PDC por las que pase la corriente del rayo deben tener una
sección conforme a la Norma UNE-EN 50164-2.
 C3- Ensayos tipo: Los ensayos se deben realizar siguiendo el diagrama de flujo de la Figura C1 del Anexo
C de las normas UNE 21186:2011 y NFC 17-102.
De los aspectos importantes de estas normas, en relación con el tema objeto de este documento, tenemos el
ensayo del punto de cebado, que consiste en medir el tiempo asignado por estas normas al avance de líder en
ascenso, según la cual determinan el ΔT en μs; por lo cual a continuación copiamos el texto de las dos normas
según el punto C.3.5.2.5 que corresponde a la Medida del avance en el cebado de un PDC; el criterio escogido
para evaluar la eficacia de un PDC es su capacidad para iniciar reiteradamente el cebado de un trazador (líder)
ascendente antes que un pararrayos convencional (PR), situado en el banco de pruebas, en las mismas
condiciones. Se mide el valor T (tiempo de emisión y recorrido del líder ascendente) para cada impacto sobre el
PDC y sobre la PR. Este tiempo T se mide entre el punto de intersección del eje de tiempos con la curva de tensión
de impulso y el tiempo correspondiente al cambio brusco de la pendiente de la tensión de impulso
correspondiente a una emisión y descarga exitosa. Como puede verse esta prueba se hace con unos parámetros
que pueden tener respaldo científico, pero también contiene algunos aspectos de apreciación, como es lo del
cambio brusco de la pendiente de tensión, deja algunas dudas, además de la gran diferencia en escalas, que
contribuye a la invalidez de la misma.
Para tener una idea del laboratorio de alta tensión que se usa para esta prueba, se incluye en la Figura 10.1 una
imagen de un laboratorio en el momento de la descarga.
Figura 10.1 Imagen de un Laboratorio de alta tensión, al momento de una prueba
El procedimiento de esta prueba incluye dos ensayos, uno con un pararrayos convencional (PR), y otra con un
pararrayos PDC, el ensayo de la punta PR, permite establecer la curva de referencia, y el de la terminal PDC
establece la curva experimental, cuyos resultados se comparan por esta comparación se determina la diferencia
de tiempo, que debe estar en el orden de los 10 a 60 µseg.
En la Figura 10.2, se incluye un esquema de las dos pruebas, con la configuración del montaje experimental,
tomada de la Fig. C-3 de la norma UNE 21186-2011.
Figura 10.2. Configuraciones del montaje experimental - Tomada de la norma UNE 21186-2011
Como referencia, también incluimos en la Figura 10.3 un par de imágenes que corresponden a la guía de prueba
de la norma UNE 21186, a su derecha el reporte de una prueba real, ejecutada por un laboratorio de alta tensión,
de Rumania, a un ESE de SHIRTEC, como resultado en este caso se destaca que el ∆t corresponde a 63,4 µseg.
Figura 10.3. Guía de prueba UNE 21186 reporte de prueba real para determinar el ∆t de una punta ESE de
SHIRTEC efectuada en un laboratorio de Rumania
Ver detalles de la prueba de referencia, en el siguiente Link. https://schirtec.at/es/download/
Como se puede ver, esta parte de las normas UNE 21186 y NFC 17 102, relacionada con la determinación del ∆t
(Delta de tiempo de avance del lieder ascendente), son los únicos argumentos de los fabricantes para auto
adjudicarse una ventaja de los ESE con respecto a las puntas Franklin, que les permite hacer mercadeo de su
tecnología, asumiendo una ventaja en el radio de protección. Argumento combatido por la comunidad científica
en el área de protección contra descargas atmosféricas, basados en la incertidumbre de las pruebas
mencionadas, y en la velocidad constante adoptada para el líder ascendente (Vs) de 1x10 6 m/seg. para
determinar la ganancia en el radio de protección ∆L. NO ACEPTADA, ya que los reportes independientes dan
una velocidad promedio den el orden de 1x105 m/seg.
11.Proliferación de marcas y modelos
Es indudable la proliferación de marcas fabricantes de pararrayos ESE, que una pequeña búsqueda en Internet,
arroja innumerables marcas y modelos, algunos fabricados a granel, en países como China, a los que le pueden
asignar cualquier marca modelo, con la seguridad de que no pasan ningún control de calidad, mucho menos las
pruebas de cebado exigidas por las normas, por lo cual no existe garantías de que los mismos puedan funcionar
según lo han indicado los proponentes originales, que tampoco tienen la credibilidad que puede requerir un
dispositivo, de protección contra descargas atmosféricas, con las consecuencias que una falla de protección pueda
tener. Además del número de fabricantes modelos incluidos como referencias en la sección 6 de este documento.
A continuación, en la Figura 11.1, solo una muestra de la gran cantidad de fabricantes de origen desconocido,
muchos de ellos chinos, que demuestran la proliferación de marcas modelos de estos dispositivos, lo cual destaca
solo los intereses comerciales o de negocio en que esto se ha convertido, sin ningún respaldo científico ni de
normas reconocidas.
.M
Figura 11.1 Muestra de Fabricantes y Modelos de Pararrayos sin Respaldo de Normas o Garantía
Por otra parte, aunque algunos fabricantes o modelos indiquen cumplimiento de normas reconocidas,
solo se deben considerar una especie de slogan comercial, ya que algunas no cumplen ningún
requerimiento normativo y otras solo lo hacen parcialmente, como por ejemplo cuando dicen que
cumplen con la norma IEC 62305, solo porque hacen un análisis de riesgo como lo indica la norma, lo
cual no tiene nada que ver con la tecnología en uso (ESE o Punta Franklin), ya que es más bien parte del
procedimiento de diseño para definir la necesidad de la protección.
Lo que también llama la atención, además de la proliferación de marcas modelos de pararrayos ESE, es
su permanencia en el mercado, el cual indudablemente responde a la proliferación de marcas modelos,
de las campañas de promoción de los mismos como si fueran la solución a un problema que lejos están de
solucionar, por otra parte debido a la eficiencia global de los métodos de protección, que según la norma
IEC 62305-1-2011, la eficiencia de los terminales aéreos de acuerdo al nivel de protección es de:
 Nivel I = 98% con un máximo de IPk de 200 KA e IMin de 3 KA
 Nivel II= 95% con un máximo de IPk de 150 KA e IMin de 5 KA
 Nivel III = 88% con un máximo de IPk de 100 KA e IMin de 10 KA
 Nivel IV = 81% co un máximo de IPk de 100 KA e IMin de 16 KA
Por los márgenes que permiten estas eficiencias, y a lo extenso del tiempo requerido para la repetición de
un punto de impacto, y que habría que documentar para establecer un reclamo, los usuarios no han
encontrado una forma eficaz de reclamar las fallas o casos en los cuales debieron operar pero no lo
hicieron, experiencias con Bypass de estos dispositivos, por lo cual un seguro comercial o un juicio, en el
cual se reclame su mal funcionamiento en un tribunal difícilmente prospere, porque no hay forma de como
probar las fallas del mismo a pesar de que haya convencimiento de las fallas de estos dispositivos ESE.
Como por ejemplo si fuera un sistema con protección Nivel IV, que ha fallado en la captación de
una descarga, y el usuario quiere reclamar la no operación, debe demostrar que la corriente de esa
descarga con la cual falló el ESE, fue mayor a 16 KA y menor a 100KA, y la respuesta del reclamo
seria que está en el % normal de fallas. NO HAY FORMA DE RECLAMAR.
12. Opinión generalizada de la comunidad científica acerca de argumentos de los
proponentes de terminales ESE
Aunque sobre el tema se ha escrito mucho, es evidente que no hay una tendencia que favorezca el uso
con algún grado de confianza de los dispositivos ESE, como dispositivos de protección con radios de
protección aumentada, por lo cual en esta sección se recopilan algunos de las más importantes opiniones
expuestas con sus respectivas fuentes:
12.1.
La base científica y técnica para este rendimiento mejorado está lejos de ser
segura y la eficacia de estas tecnologías sigue siendo cuestionable. En este documento,
examinamos la base física de los dispositivos ESE e identificamos áreas de controversia y
lagunas en nuestro conocimiento sobre rayos y protección contra rayos que deben tenerse
en cuenta al evaluar los dispositivos ESE y en su desarrollo futuro.
https://ieeexplore.ieee.org/abstract/document/817418
12.2.
Desde su introducción hace más de dos décadas, las primeras terminales aéreas de
emisión de temprana (ESE) han fallado repetidamente en proteger los edificios de los
rayos directos. Aunque afirmaron proporcionar una gran zona de protección, la mayoría
de los edificios altos equipados con ESE han exhibido uno o más desvíos (es decir, daños
inducidos por rayos). Después de más de dos décadas de observación, un número
creciente de edificios han exhibido desvíos que se encuentran muy cerca de las terminales
aéreas. Estos desvíos de proximidad cercana brindan evidencia indiscutible de que la
zona de protección ESE es solo un producto de la imaginación de los proponentes y
defensores de terminales ESE.
https://www.researchgate.net/publication/241625745_Close_proximity_bypasses_to_coll
ection_volume_and_early_streamer_emission_air_terminals
12.3.
El método del volumen de recolección (CVM) fue desarrollado como una
alternativa al método existente de posicionamiento de terminales aéreas (es decir,
pararrayos) que se encuentran en las normas nacionales e internacionales. Fue propuesto
y se utilizó por primera vez junto con el Dynasphere, un terminal aéreo patentado que
funciona según el principio de emisión temprana de corrientes de cargas (ESE). La
vigencia de la CVM se puso en duda ya que el número de edificios instalados con las
terminales aéreas de Dynasphere , que resultaron afectados por múltiples desvíos (es
decir, con daños por impacto de rayos) aumentó considerablemente en poco tiempo.
Según este informe, después de dos décadas de fallas continuas, el uso continuado de la
CVM para posicionar el Dynasphere o cualquier otra terminal aérea solo pondrán en
peligro el edificio y los ocupantes por impacto de rayos directos. El Dynasphere y otras
terminales aéreas del tipo ESE, deben considerarse como cuando una empresa
fabricante de autos, lanza al mercado un vehículo con un motor defectuoso, los
cuales son y en el caso de los ESE, deben ser retirados del mercado en interés de la
seguridad pública en todo el mundo. https://lightningrisk.org/pdfs/CASESTUDIES.pdf
12.4.
Los terminales aéreos simples son objetos conductores conectados a tierra capaces de
lanzar una corriente de cargas ascendente o una descarga líder que intercepta una descarga
descendente de un rayo y desvía hacia sí la descarga del rayo. Se afirma que los terminales
aéreos de emisión temprana de corrientes de cargas ascendentes (ESE) inician la corriente de
cargas ascendentes y logran la conexión antes de lo que lo haría un terminal aéreo simple en la
misma posición y, por lo tanto, se afirma que pueden atraer la descarga del rayo desde una
distancia mayor que lo que haría un terminal aéreo simple. La objeción principal planteada es
que esto implica que una corriente de cargas ascendente o líder desde una terminal aérea ESE
puede continuar propagándose cuando el campo eléctrico delante de la punta de la corriente de
cargas en ascenso o líder está por debajo del valor mínimo que se aplicaría a una corriente de
cargas ascendente o líder lanzado desde una punta Franklin. Una vez que una descarga se ha
propagado en el espacio alejado de la terminal aérea, su progreso posterior depende del
suministro de energía del campo eléctrico en el espacio cercano a la punta de la descarga y de
las propiedades dieléctricas del aire que sufre la ruptura. Dado que la terminal aérea no puede
influir en ninguno de estos factores, se concluye que no es posible obtener una mejora
significativa en el rendimiento de interceptación de rayos provocando la emisión temprana de
una corriente de cargas ascendente desde una terminal aérea.
https://scholarbank.nus.edu.sg/handle/10635/62715
12.5.
Los LPS no convencionales, no estándar han sido calificados por estudios de académicos
y científicos en todo el mundo, como dispositivos sin ninguna base científica en cuanto a sus
afirmaciones que se refieren a proporcionar una mayor protección contra el rayo. Estos estudios
han sido objeto de debate y aceptado por todos los organismos de normalización, nacionales e
internacionales que divulgan las normas de protección para estructuras. Los fabricantes de estos
sistemas tampoco han proporcionado ningún estudio independiente que podría probar que sus
productos están probados en el campo. Esto es a pesar del hecho de que ellos han estado
realizando estudios de laboratorio y de campo en todo el mundo durante casi tres décadas. A
pesar de esta deficiencia, decenas de miles de estos sistemas se han vendido en todo el mundo,
basados en la promesa de una protección mejorada, solo respaldada por los fabricantes. El uso
de las terminales aéreas no convencionales ha provocado que muchos edificios sufran daños
por rayos directos aun estando protegidos con terminales ESE, por usar el radio de protección
ofrecido
por
los
fabricantes……………………………………………………………….
http://www.lightningsafetyalliance.org/documents/acem_air_terminals.pdf
12.6.
Los experimentos de laboratorio no pueden ser utilizados para justificar la acción de la
emisión temprana de cargas - …. Este hecho muestra claramente que el concepto ESE no
funciona para pararrayos expuestos a la influencia del movimiento lideres bajando, ni tampoco
el área de protección contra rayos ampliada reclamada por los fabricantes de los dispositivos
ESE,
la
cual
no
es
físicamente
plausible…………………………………………………………………………………………..
https://www.researchgate.net/publication/228997973_Laboratory_experiments_cannot_be_uti
lized_to_justify_the_action_of_early_streamer_emission_terminals
13.
Conclusiones recomendaciones
Como se puede ver de la gran cantidad de información existente, mucha de la cual da suficientes argumentos,
para no creer en las bondades de la tecnología ESE, relacionadas con el aumento del radio de atracción; entre las
cuales se encuentran las siguientes:
13.1.
Los dispositivos ESE se comportan en forma similar a las puntas Franklin, como medios de
protección contra descargas atmosféricas, no existe ninguna razón técnica confiable para creer
en el radio de protección aumentado.
13.2.
Existe un sin número de experiencias de protecciones falladas, con impactos de rayos que
fueron usadas con los radios de protección aumentados según lo argumentan sus fabricantes.
Estas fallas brindan evidencia indiscutible de que el aumento del radio de protección de los ESE,
es solo un producto de la imaginación de los proponentes y defensores de terminales ESE
13.3.
Cuando ocurren fallas de protección de los ESE, no hay forma o bases legales que
permitan reclamar una garantía de funcionamiento, existen muchas vías de escape para evitar
ser penalizados por estas fallas.
13.4.
Los ESE usados como protección contra descargas atmosféricas, no estándar, han sido
calificados por estudios de académicos y científicos en todo el mundo, como dispositivos sin
ninguna base científica en cuanto a sus afirmaciones que se refieren a proporcionar un mayor
radio de protección o área de protección contra el rayo, cuando se compara con una punta
Franklin.
13.5.
La base científica y técnica para este rendimiento mejorado de los terminales ESE, está
lejos de ser segura y la eficacia de estas tecnologías sigue siendo cuestionable
13.6.
Las pruebas de laboratorio exigidas por las normas ENA 21186 de España y NFC 17 102 de
Francia, para certificar el cebado, no representan una simulación confiable por razones de escala
del fenómeno de la descarga atmosférica en condiciones más o menos reales; además la velocidad
de aproximación de la corriente de cargas (Streamer) ascendiendo, esta sobre estimada en por lo
menos un orden de magnitud, sobrestimación que aplicadas a la ganancia de tiempo obtenida en
las pruebas, pretende justificar el radio aumentado. Por otra parte no existen suficientes
laboratorios de alta tensión, para probar los prototipos de la gran proliferación de dispositivos
ESE, lo cual permite afirmar que se están comercializando muchas marcas y modelos sin las
respectivas pruebas, que de todas formas no son aceptadas.
13.7.
Las normas NFC 17-102 y el español UNE-21186 son respaldos gubernamentales para
sistemas de terminales aéreas de protección contra rayos ESE (early streamer emitter) no
aprobados y no científicos, con ciertas ambigüedades y debilidades para la certificación de estos
dispositivos.
13.8.
En general existen muchas dudas, falta de análisis con base científica y falta de confianza
en relación con el radio de protección aumentado que argumentan los fabricantes de los ESE, la
eficacia de los mismos; por lo cual solo se puede pensar su uso como terminales normales o
puntas Franklin; sin embargo el alto costo de los ESE, no justifica este uso.
ANEXO # 1
Listado consultores internacionales y documentos en el área de protección contra descargas
atmosféricas, consultados, de referencia y que permiten ampliar conocimientos sobre el tema en
estudio.
a. Martin A. Umán, Ph.D., profesor en ejercicio en la Universidad de Florida, Distinguished Professor, CoDirector of the ICLRT, [email protected]
 “Fundamentals of Lightning”, Cambridge University Press, 257 p., 2016, ISBN: 9781107072237,
V.A. Rakov (Chinese translation published in 2017)
 “The Art and Science of Lightning Protection”, Cambridge University Press, 240 p., 2008, ISBN
9780521878111, M.A. Uman
 “A Modeling Study of Narrow Electric Field Signatures Produced by Lightning Strikes to Tall
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Zhu, V.A. Rakov, M.D. Tran, W. Lyu, and D.D. Micu
 “3-D Finite Difference Time Domain Simulation of Lightning Strikes to the 634-m Tokyo Skytree”,
Geophys. Res. Lett., 2018, 45, 9267–9274, DOI: 10.1029/2018GL078214, S. Araki, Y. Nasu, Y. Baba,
V.A. Rakov, M. Saito, and T. Miki
 “Upgrading a Low-Cost System for Measuring Lightning Electric Field Waveforms”, IEEE
Transactions on EMC, 2018, 10.1109/TEMC.2018.2822695, A. F. R. Leal, V. A. Rakov, and B. R. P.
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 “Statistical distributions of lightning peak currents: Why do they appear to be lognormal?”, J.
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Slyunyaev, E.A. Mareev, V.A. Rakov, and G.S. Golitsyn
 “An Analysis of Current and Electric Field Pulses Associated with Upward Negative Lightning
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10.1029/2018JD028295, L. He, M. Azadifar, F. Rachidi, M. Rubinstein, V.A. Rakov, V. Cooray, D.
Pavanello, and H. Xing
 “Abrupt Elongation (Stepping) of Negative and Positive Leaders Culminating in an Intense
Corona Streamer Burst: Observations in Long Sparks and Implications for Lightning”, J. Geophys.
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 " Bipolar Lightning Flashes Observed at the Säntis Tower: Do We Need to Modify the Traditional
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Rachidi, M. Rubinstein, V.A. Rakov, M. Paolone, and D. Pavanello
 " Observations of the connection of positive and negative leaders in meter-scale electric
discharges generated by clouds of negatively-charged water droplets ", J. Geophys. Res. Atmos.,
121, 9756–9766, doi:10.1002/2016JD025079, 2016, A.Yu. Kostinskiy, V. S. Syssoev, N.A. Bogatov,
E.A.Mareev, M.G. Andreev, M.U. Bulatov, L.M. Makal’sky, D.I. Sukharevsky and V.A. Rakov
 " Two basic leader connection scenarios observed in negative lightning attachment process ",
High Volt., pp. 1–7, doi: 10.1049/hve.2016.0002, 2016, W. Lu, Q. Qi, Y. Ma, L. Chen, X. Yan, V.A.
Rakov, D. Wang, and Y. Zhang
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Rachidi, M. Rubinstein, V.A. Rakov, M. Paolone, D. Pavanello, and S. Metz
b. Vladimir A. Rakov, Ph.D. Professor, Co-Director of ICLRT Department of Electrical and Computer
Engineering University of Florida
 Electromagnetic Computation Methods for Lightning Surge Protection Studies, Wiley, under
contract, Y. Baba and V.A. Rakov
 How Dangerous Is Lightning?, Dover, 144 p., 2011, ISBN-13: 9780486477046 - ISBN-10:
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ISBN 0521035414, V.A. Rakov and M.A. Uman
 The Physics of Lightning, Received: 19 October 2012 / Accepted: 26 March 2013 / Published
online: 16 April 2013 - Springer Science+Business Media Dordrecht 2013
 Rocket-and-wire triggered lightning experiments, Book Chapter in "The Lightning Flash", ed. V.
Cooray, IEE, London, 2014, V.A. Rakov
 Electromagnetic Models of Lightning Return Strokes, Ch. 8 in "Lightning Electromagnetics", ed.
V. Cooray, IET, London, 2012, pp. 263-313, Y. Baba and V.A. Rakov
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Applications, eds. H.D. Betz, U. Schumann, and P. Laroche, Springer, 691 p. 2009, ISBN 978-14020-9078-3, pp. 1-21, Y. Baba and V.A. Rakov
 Rocket-triggered lightning and new insights into lightning protection gained from triggeredlightning experiments, in "Lightning Protection", ed. V. Cooray, IEE, London, 1036 p., 2010, ISBN
978-0-86341-744-3, pp. 97-164, V.A. Rakov
 Lightning Flashes Transporting Both Negative and Positive Charges to Ground, Recent
Progresses in Lightning Physics, ed. C. Pontikis, Research Signpost, 2005, pp. 9-21, V.A. Rakov
 Initiation of Lightning in Thunderclouds, Recent Res. Devel. Geophysics, 6, 2004, pp. 1-35,
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 A Review of the Interaction of Lightning with Tall Objects", Recent Res. Devel. Geophysics, 5,
2003, pp. 57-71, Research Signpost, India, V.A. Rakov
 Review of 'Non-Conventional Approaches to Triggering Lightning Discharges", Recent Res.
Devel. Geophysics, 4, 2002, pp. 1-8, Research Signpost, India, V.A. Rakov
c. Abdul M. Mousa, Ph.D. from the University of British Columbia, Vancouver, Canada. Consultant (Retired
from BC Hydro) Coquitlam, BC, Canada
 A Blackout caused by Multiple Lightning Strikes to a Lightly-loaded Interconnection Consisting
of Three 500 kV Power Lines in a Joint Corridor - Abdul M. Mousa ; Mukesh Nagpal ; Zhixian Jiao
- 2018 34th International Conference on Lightning Protection (ICLP)
 Flaws of the standards-making process of the IEEE and related impact on lightning protection
standards - Abdul M. Mousa - 2014 International Conference on Lightning Protection (ICLP)
 Overview of the evidence regarding the invalidity of Eriksson's Model/Collection Volume
Method - Abdul M. Mousa ; Z.A. Hartono ; I. Robiah - 2014 International Conference on Lightning
Protection (ICLP)



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


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
Parameters of lightning strokes: a review - P. Chowdhuri ; J.G. Anderson ; W.A. Chisholm ; T.E.
Field ; M. Ishii ; J.A. Martinez ; M.B. Marz ; J. McDaniel ; T.E. McDermott ; A.M. Mousa ; T. Narita ;
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| Journal Article | Publisher: IEEE
Proposed research on the collection volume method/field intensification method for the
placement of air terminals on structures - A.M. Mousa - 2003 IEEE Power Engineering Society
General Meeting (IEEE Cat. No.03CH37491)
Validity of the lightning elimination claim - A.M. Mousa - 2003 IEEE Power Engineering Society
General Meeting (IEEE Cat. No.03CH37491)
GPS travelling wave fault locator systems: investigation into the anomalous measurements
related to lightning strikes - H. Lee ; A.M. Mousa - IEEE Transactions on Power Delivery - Year:
1996 | Volume: 11, Issue: 3 | Journal Article | Publisher: IEEE
The soil ionization gradient associated with discharge of high currents into concentrated
electrodes - A.M. Mousa - IEEE Transactions on Power Delivery - Year: 1994 | Volume: 9, Issue: 3
| Journal Article | Publisher: IEEE
A survey of industry practices regarding shielding of substations against direct lightning strokes
- A.M. Mousa ; R.J. Wehling - IEEE Transactions on Power Delivery Year: 1993 | Volume: 8, Issue:
1 | Journal Article | Publisher: IEEE
A computer program for designing the lightning shielding systems of substations - A.M. Mousa
- IEEE Transactions on Power Delivery - Year: 1991 | Volume: 6, Issue: 1 | Journal Article |
Publisher: IEEE
Modelling of power lines in lightning incidence calculations - A.M. Mousa ; K.D. Srivastava - IEEE
Transactions on Power Delivery - Year: 1990 | Volume: 5, Issue: 1 | Journal Article | Publisher:
IEEE
The implications of the electrogeometric model regarding effect of height of structure on the
median amplitude of collected lightning strokes - A.M. Mousa ; K.D. Srivastava - IEEE Transactions
on Power Delivery - Year: 1989 | Volume: 4, Issue: 2 | Journal Article | Publisher: IEEE
The lightning performance of unshielded steel-structure transmission lines - A.M. Mousa ; K.D.
Srivastava - IEEE Transactions on Power Delivery - Year: 1989 | Volume: 4, Issue: 1 | Journal Article
| Publisher: IEEE
Effect of shielding by trees on the frequency of lightning strokes to power lines - A.M. Mousa ;
K.D. Srivastava- IEEE Transactions on Power Delivery - Year: 1988 | Volume: 3, Issue: 2 | Journal
Article | Publisher: IEEE
Safety Against Lightning for Linemen Working on De-energized Power Lines - Abdul M. Mousa ;
K. D. Srivastava - IEEE Power Engineering Review - Year: 1986 | Volume: PER-6, Issue: 1 | Magazine
Article | Publisher: IEEE
War of the Lightning Rods, By Abdul M. Mousa, Ph.D, P.eng., Fellowe of IEEE http://www.amnis.ru/files/2004.02
d. Zainal. A. Hartono, Bachelor Degree, from University of Loughborough – Malaysia -Experienced lightning
protection consultant/expert and researcher. Senior Member of the IEEE (USA), member of the EMC
Society and member of the CIGRE Working Group C4.410
 Lightning protection for the Holy Mosque and the Jamarat Bridge in Makkah Z. A. Hartono;
I. Robiah - 2014 International Conference on Lightning Protection (ICLP)
 Close proximity bypasses to collection volume and early streamer emission air terminals - Z. A.
Hartono ; I. Robiah - 2011 7th Asia-Pacific International Conference on Lightning
 Improvised lightning safety awareness program -Z. A. Hartono ; I. Robiah - 2011 7th Asia-Pacific
International Conference on Lightning
 Misconceptions about lightning and its relation to air terminal design errors (Invited paper) - Z.
A. Hartono & I. Robiah - Senior Members IEEE - CIGRE C4 Colloquium on Lightning and Power
System, Kuala Lumpur, 16 – 19 May, 2010
 Case studies on the performance of commercial-grade lightning event counters -Z. A. Hartono ;
I. Robiah - 2008 Asia-Pacific Symposium on Electromagnetic Compatibility and 19th International
Zurich Symposium on Electromagnetic Compatibility
 A review of studies on early streamer emission and charge transfer system conducted in
Malaysia -Z.A. Hartono ; I. Robiah - 2006 17th International Zurich Symposium on Electromagnetic
Compatibility
 Conventional and Un-conventional Lightning Air Terminals: An Overview - Hartono Zainal
Abidin, BSc (Elect), MIEEE, Robiah Ibrahim, BSc (Elect), MIEEE - FORUM ON LIGHTNING
PROTECTION, Hilton Petaling Jaya, 8th January 2004
 A long term study on the performance of early streamer emission air terminals in a high
keraunic region - Z.A. Hartono ; I. Robiah - Asia-Pacific Conference on Applied Electromagnetics,
2003. APACE 2003.
 Location factor and its impact on antennae safety with reference to direct lightning strikes - Z.A.
Hartono ; I. Robiah - 2000 TENCON Proceedings. Intelligent Systems and Technologies for the New
Millennium (Cat. No.00CH37119)
e. Donald W. Zipse, ([email protected]) is with Electrical Forensics, LLC, and Wilmington, Delaware. He is a
Life Fellow of the IEEE.
 Zipse, Donald. (2018). A History of Grounding and Earthing Practices in the United States: part
2. IEEE Industry Applications Magazine. PP. XX7-XX7. 10.1109/MIAS.2018.2876218.
 Zipse, Donald. (2018). A History of Grounding and Earthing Practices in the United States: Part
1: A Discussion of How the Earth Has Been Used for Electrical Conduction Through the 1920s. IEEE
Industry Applications Magazine. PP. XX4-XX4. 10.1109/MIAS.2018.2868363.
 Zipse, Donald. (2001). Lightning protection methods: An update and a discredited system
vindicated. Industry Applications, IEEE Transactions on. 37. 407-414. 10.1109/28.913703.
 Zipse, Donald (2001). Prevent Lightning Strikes with Charge Transfer Systems. ECM https://www.ecmweb.com/power-quality-magazine-archive/article/20885092/preventlightning-strikes-with-charge-transfer-systems




f.
Zipse, D.W.. (1999). Lightning protection systems: an update and a discredited method
vindicated. IEEE Transactions on Industry Applications - IEEE TRANS IND APPL. 37. 37 - 51.
10.1109/PCICON.1999.806422.
Zipse, D.W.. (1993). Lightning Protection Systems: Advantages and Disadvantages. IEEE
Transactions on Industry Applications - IEEE TRANS IND APPL. 30. 51 - 64.
10.1109/PCICON.1993.337418.
Zipse, D.W.. (2008). Advancement of lightning protection and prevention in the 20th century
[History] - IEEE Industry Applications Magazine - Volume: 14, Issue: 3 | Magazine Article |
Publisher: IEEE
Zipse, D.W.. (2007). NFPA 780 Standard for the Installation of Lightning Protection Systems 2007
Edition - Mitchell Guthrie ; Donald W. Zipse ; Melvin K. Sanders - 2007 IEEE/IAS Industrial &
Commercial Power Systems Technical Conference - Year: 2007 | Conference Paper - Publisher:
IEEE
Horacio Torres Sánchez, ingeniero electricista de la Universidad Nacional de Colombia sede Bogotá
(1975), magíster en Sistemas de Potencia de la U. N. (1985), doctorado en la Universidad Técnica de
Darmstadt (1978-1983). Profesor emérito de la Universidad Nacional de Colombia desde 2002 y forma
parte del grupo de investigación PAAS-UN . Miembro y responsable del grupo C4.4.04 “Lightning in
Tropical Regions” del comité de estudio C4B de CIGRE.
 “Ground Flash Density : definition of the appropriate grid size and a proposal of relationship
Ng vs. Td for Tropical zones” Activity Report Of Tf C4.01.02-B. Working Group C4.01
“Lightning”. CIGRE Dallas, Tx., Usa, September 2003.
g. Otros Autores
 Connection of a downward negative leader to an upward connecting leader below its tip,
Geophys. Res. Lett., submitted, W. Lu, L. Chen, Y. Ma, V.A. Rakov, Y. Gao, Y. Zhang, Q. Yin, and Y.
ZhangThere

Is No Magic To Lightning Protection: Charge Transfer Systems Do Not Prevent Lightning Strikes,
Pubicado por William Rison, Professor of Electrical Engineering, New Mexico Institute of Mining
and Technology,Socorro, New Mexico 87801

The Case for Using Blunt-Tipped Lightning Rods as Strike Receptors - Publicado por C. B. Moore,
G. D. Aulich, And William Rison, Langmuir Laboratory for Atmospheric Research, New Mexico
Institute of Mining and Technology, Socorro, New Mexico. (Manuscript received 24 June 2002, in
final form 3 February 2003).
Early Streamer Emission Lightning Protection Systems: An Overview - R. J. Van Brunt, T. L.
Nelson, and K. L. Stricklett - National Institute of Standards and Technology - January/February
2000 - Vol. 16. No, 1 – IEEE Electrical Insulation Magazin - F e a t u r e A r t i c l e.

ANEXO # 2
Imágenes de Fallas De Dispositivos ESE, Comprobadas y de Conocimiento Público.
Figure 9: The bypass on the front façade observed in May 2001.
Figure 11: In 2005, another bypass was observed at the same front facade.
Figure 14: The bypass nearest to the Dynasphere air terminal about 10 metres away.
Figure 15: The two bypasses on the west wing of the DCS building.
Imágenes Tomadas del Documento: CASE STUDIES ON THE COLLECTION VOLUME METHOD - Including
comparisons with the ESE standard, NF C 17-102. – By Z. A. Hartono & I Robiah Senior Members IEEE October
2010