Pararrayos: principios y conceptos Maylor Fernández Méndez, Michael Pérez Universidad de Costa Rica Sede del Pacífico [email protected] [email protected] Abstract— El presente documento consiste en un informe técnico sobre parrayos el cual abordará tópicos como: teoría del rayo, tipos, normas europeras y francesas importantes como la Norma 780 de la NFPA. Norma francesa NFC 17-102. Además, se darán pautas para el diseño de un sistema de parrayos y un ejemplo de aplicación. I. INTRODUCCIÓN Las tormentas eléctricas son fenómenos naturales tan comunes en las zonas tropicales, precisamente Centroamérica es una zona de alto nivel isoceráunico (número de rayos que caen al día en un punto determinado). Por consiguiente, resulta importante desde el punto de vista ingenieril comprender el fenómeno de formación de rayos y los distintos sistemas de protección externa, con el fin de mitigar el impacto y consecuencia que tiene este fenómeno sobre los equipos, estructuras y personas. Para ello, es menester conocer las distintas normativas que regulan los diferentes sistemas de protección tanto internos como externos de protección de descargas atmosféricas. II. DESARROLLO DE CONTENIDOS A continuación, se presentan los principales conceptos y bases teóricas necesarios para comprender a cabalidad los sistemas de protección con pararrayos. A. Antecedentes Experimento de Benjamín Franklin: El experimento de la cometa es el que dio inicio a sus descubrimientos, un día de tormenta de junio del año 1752, junto a su hijo se preparaba para elevar una cometa lo más cerca posible de una nube de tormenta, incrustó en ella un alambre grueso con punta afilada, le amarró un hilo de seda de muy alta calidad y al otro extremo del hilo ató una llave metálica de la época, pasó bastante tiempo esperando a que un rayo le impactara al cometa elevado debajo de la nube, según sus escritos, el que no pasara nada decepcionó a Benjamín, pero decidió tocar la llave y con cuidado acercó su dedo a ella; pero antes de tocarla observó un pequeño arco. Este descubrimiento despertó grandemente el interés del estudio del rayo, con sus estudios posteriores logró comprobar que el rayo era una descarga de tipo eléctrica. Por lo que tiempo después inventó la punta de interceptación (conocida en los tiempos actuales como punta Franklin, en su honor), con el objetivo de drenar esa corriente a tierra de manera segura y así proteger una edificación. [1] En 1823, una comisión de “notables” de la Academia de Ciencias de Francia, formada por Poisson, Lefevre-Gineau, Girard, Dulong, Fresnel y Gay-Lussac, fue creada con el objetivo de mejorar el pararrayos de Franklin y escribir un informe con recomendaciones sobre la protección de edificios contra descargas eléctricas. Éste fue utilizado como estándar hasta la aparición en 1879 del libro de Anderson titulado “Pararrayos, su historia, naturaleza y modo de aplicación”, que se utiliza como referencia hasta en la actualidad. También durante el siglo XIX, Pockels, en Alemania, midió las corrientes de los rayos analizando el campo magnético inducido. En el siglo XX, Charles Thomson Rees Wilson (1869-1959) ganó el premio Nobel de Física en 1927 por su método de hacer visibles las trayectorias de las partículas cargadas eléctricamente por condensación de vapor y postuló una teoría sobre la separación de cargas en tormentas eléctricas. Aunque se ha avanzado mucho desde la época de Franklin todavía no se conoce totalmente qué pasa dentro de una tormenta eléctrica. El siguiente informe intenta resumir los conocimientos actuales sobre tormentas eléctricas, rayos y pararrayos. B. Conceptos importantes B.I. Definición de rayo Se han realizado estudios de las cargas electrostáticas entre las nubes y lo que se conoce como superficie terrestre, entonces las nubes están cargadas negativamente en su base y positivamente en su parte superior. Por inducción electrostática la tierra resultará positiva inmediatamente debajo de tal nube. Se establece así una diferencia de potencial enorme, produciéndose el rayo cuando se vence la rigidez dieléctrica del medio (aire o vapor de agua). Simultáneamente con el rayo se produce la luz (relámpago) y sonido (trueno). Las causas principales del fenómeno rayo son: la radiación solar y la formación de las capas atmosféricas; pero en particular la ionósfera, así como las nubes de la tropósfera. B.II Tipos de rayos ● ● Los que se provocan entre nubes y la tierra. Los que se inducen entre las mismas nubes. De los anteriores los que más interesan son los que se provocan entre las nubes y la tierra, de los cuales podemos distinguir 4 tipos; como en la figura 1 se observan. Fig. 1 Tipos de rayos. (Jurado Manchado, 2013) Descarga atmosférica descendente/ascendente entre nube – tierra (con polaridad “+/-”). B.III.II Según la polaridad del rayo: Impacto (con polaridad “+”). Impacto (con polaridad “-”). B.III.III Según la duración del rayo: Corta duración. Larga duración. B.IV Otras Características Voltaje: Debajo del campo eléctrico de la nube es de 10 mil a 30 mil V/m. el voltaje que se asocia a un rayo podría empezar con millones de voltios entre la nube y la tierra, sin embargo cuando la descarga se aproxima el voltaje se reduce drásticamente Corriente: se habla de una carga en movimiento de unos 40 coulombs y corriente pico de 200 kA a 20 kA, como consecuencia pueden circular corrientes por partes metálicas con un promedio de 20 kA a 30 kA y alrededor del 5 % llegan a 150 kA. De la figura 1, los más comunes son los (a) como anteriormente lo indicaba la definición pues representan el 90% de los rayos el otro 10% se reparte en los otros tipos pero con mayor frecuencia los tipo (b) y de muy poca frecuencia los (c,d). (Jurado Manchado, 2013, 7) Del tipo (a) de cuál podemos decir que los rayos son señales eléctricas de alta frecuencia, gran potencial y alta corriente, por ello son causa de interferencia en sistemas electrónicos. Son de alta frecuencia por la elevada razón de cambio de la señal, de aproximadamente 1 us. Por ello, para dirigir a tierra las descargas atmosféricas se utilizan las técnicas para señales en altas frecuencias, que veremos más adelante. B.III Clasificación de las descargas atmosféricas B.III.I Según el origen del fenómeno electrostático: Descarga atmosférica longitudinal nube (con polaridad “+”) – nube (con polaridad “-”). Descarga atmosférica longitudinal entre nubes (con polaridad “+/-”). Descarga atmosférica descendente nube (con polaridad “-”) – tierra (con polaridad “+”). Descarga atmosférica ascendente tierra (con polaridad “-”) – nube (con polaridad “+”). Descargas multiples: es una característica donde los rayos siguen el mismo camino establecido por un rayo previo provocando entre 2 a 42 descargas rápidas de sucesión Probabilidad de caída: la frecuencia es proporcional al cuadrado de la altura sobre el terreno circundante, se puede traducir que la puntas de los edificios sean puntos más probables para la descarga del rayo. Otro factor es el clima de la zona pues este determina la cantidad de tormentas que se producen. Nivel Ceráunico: En la mayor parte de las regiones del mundo se puede obtener información de la actividad de las descargas atmosféricas a través de los datos cerámicos. Por lo tanto, el nivel cerámico se puede definir como el número de días del año en los cae al menos un rayo. El nivel cerámico es una indicación de la actividad regional de las descargas atmosféricas basadas en cantidades promedio derivadas de los niveles de observación históricamente disponibles. Por otro lado, la radiación desde estas capas, de la ionósfera a las nubes y desde éstas hasta el nivel del suelo, así como la disipación por un proceso electrolítico en el suelo. Aproximadamente la mitad de los rayos constituyen descargas simples y la otra mitad corresponde a rayos compuestos por descargas múltiples de rápida sucesión. Así como en la nube se forman centros de carga, algo similar ocurre en la tierra, pues hay suelos más conductores que otros, teniendo en cuenta que las cargas en la tierra se mueven según la inducción que impone la nube. [2] Ya conocidos los parámetros que describen las nubes de tormenta, es fundamental establecer aquellos asociados a las descargas atmosféricas. Para ello, se mostrará los parámetros técnicos de las descargas atmosféricas descendentes Nube-Tierra (Polaridad -) que son los más comunes: B.V. Consecuencias del Rayo Efectos eléctricos: Destrucción de equipos debido a las sobretensiones producidas. Destrucción de las conexiones semiconductoras por sobretensión. Destrucción de las metalizaciones de los componentes. Destrucción de las pistas de Circuitos Impresos o de los contactos. Destrucción de los Triacs/Tiristores por dV/dt. Efectos térmicos: la formación de chispas y la disipación de calor del efecto joule genera incendios. Efectos de la inducción: dentro del campo electromagnético todo conductor sufrirá el paso de las corrientes inducidas, provocando que si los conductores llegan a dispositivos eléctricos los dañará. Funcionamiento aleatorio de los tiristores o triacs. Memorias que se borran. Error o bloqueo de programas informáticos. Error de datos o de transmisión. Efectos electrodinámicos: daños en edificios, por las fuerzas electromagnéticas que se generan. Efectos de la caída del rayo sobre las personas: cuando estas se encuentran dentro de un radio de 100 metros incluyen: quemaduras en la piel, ruptura del tímpano, lesiones en la retina, lesiones musculares, pulmonares, óseas. Estrés postraumático u en casos graves muerte por paro cardiaco, respiratorio o por lesiones cerebrales. C. Parámetros técnicos Como punto inicial, es esencial cuales son son las características técnicas que definen a una nube de tormenta Cumulonimbus. Krehbiel establece los siguientes parámetros técnicos: D. Sistema de protección externa La decisión de colocar una protección contra rayos depende de varios factores como la probabilidad de caída en la zona, el objetivo de la protección; personas, equipos, estructuras. Por ejemplo no es lo mismo proteger una estructura de un edificio que podría aguantar 100 000 V a un componente electrónico que 24 V o menos los podría dañar, debido a eso las protecciones se dividen en: ● Protección externa(pararrayos, jaula de faraday). ● Protección interna (limitadores de tensión) De los anteriores se va profundizar más en los externos; entre sus principales funciones están el de recibir el impacto del rayo, a esta función se le llama captadora. Conducir con seguridad, la corriente de rayo a tierra (función derivadora) y dispersar la corriente del rayo en el terreno (puesta tierra). En la instalación captadora se tiene como misión el de impedir las descargas directas del rayo sobre el volumen a proteger. En la actualidad los dos sistemas más usados son el de protección mediante mallas o puntas captadoras, a este sistema se le conoce como faradización. Es un sistema eficiente para la protección, pero implica que su instalación debe ser en la fase de construcción de la estructura a proteger. El otro sistema es de pararrayos con dispositivo de cebado que consiste en emitir cargas con polaridad inversa a la del rayo atrayendo al rayo a dicho emisor Fig. 2 Pararrayos técnico nubes de tormenta (Krehbiel, 1996) C I. Tipos de pararrayos C I.I. Pararrayos simples o Pasivos: Punta Franklin: La misión es provocar la excitación atmosférica por encima de cuál otro punto de las estructuras con la intención de aumentar las probabilidades de un impacto. Formado por una varilla de 3-5 metros de largo, de acero galvanizado de 50mm de diámetro con un captador en punta cubierto de Wolframio para soportar el calor producido por el impacto del rayo, también debe tener un elemento protector que tiene como objetivo anticiparse al rayo para mantener contra golpes (Tubería), la toma de puesta a tierra (electrodo); protegida el resto de la zona. dicha unión debe ser equipotencial de las tomas de tierra del Fig 5. Sistema de cebado. (Rojas, n.d.) circuito general de tierras. Fig. 3 Pararrayos tipo franklin (Rojas, n.d.) Pararrayo reticulares o Jaula Faraday: Constituido por una red de conductores, dispuestos por todo el exterior del edificio a proteger. Una jaula conductora se realiza en el tejado y está provista de pequeñas Puntas Franklin, se une al suelo a través de las bajantes que van a las tomas de tierra individuales y posteriormente se unen al anillo de tierras. igual que el anterior debe contar con la puestas a tierra y su respectiva unión equipotencial de las tierras. Fig. 4 Jaula de faraday (Rojas, n.d.) C I.II. Pararrayos ionizante o activo: Pararrayo radiactivo: Varilla metálica en cuya punta se encuentra una caja que contiene isótopo radioactivo para ionizar el aire a su alrededor mediante partículas alfa. Pararrayo Ion Corona Solar: Incorpora un dispositivo eléctrico de generación de iones permanente. Pararrayo Piezoeléctrico: Se basa en la capacidad de materiales piezoeléctricos, de producir carga eléctrica a partir de los cambios en su estructura debido a presiones externas. Pararrayos con Dispositivos de Cebado o PDC: Tiene el mismo funcionamiento que el pararrayo de punta simple, pero a él se le añade un sistema ionizante con dispositivo de cebado D. Normas de aplicación D I Norma NFPA 780 Los códigos, normas, prácticas recomendadas y guías de NFPA son desarrollados a través del proceso de normas por consenso aprobado por el Instituto Nacional Americano de Normas. Este proceso reúne a voluntarios que representan diferentes puntos de vista e intereses para lograr consenso en temas de incendios y seguridad. La NFPA no tiene poder ni responsabilidad para vigilar además cumplir los contenidos de los documentos de NFPA. Tampoco la NFPA lista, certifica, prueba o inspecciona productos. Estas obligaciones están sujetas a las disposiciones de las autoridades competentes de cada país. La NFPA (National Fire Protection Association) primero adaptar las “Especificaciones para la protección de edificios contra rayos” en 1904. En 1945 el comité de la NFPA y el comité sobre protección contra rayos de la ASA (Asociación Americana de Normas) fueron reorganizados y combinados bajo el patrocinio de la NFPA y el IEEE (Instituto de Ingenieros Eléctricos y Electrónicos). A partir de la edición de 1992 del código de protección contra rayos, la asignación numérica de la NFPA para el documento fue cambiado de NFPA 78 a NFPA 780. Con la emisión de la edición de 1995, el nombre del documento fue modificado de Código de Protección Contra Rayos a Norma para la Instalación de Sistemas de Protección Contra Rayos. En este documento se deja claro que no abarca los requisitos de instalación de la protección contra rayos para sistemas de captadores por emisión temprana (ESE: Early Streamer Emission) o sistemas para disipación de rayos (DSA: Dissipation System Arrays). Igualmente, en dicha norma se han tomado en cuenta que los rayos son un fenómeno natural estocástico y caprichoso. La norma abarca los requisitos de instalación de los sistemas tradicionales de protección contra rayos para: ● Estructura ordinaria ● Estructuras varias y ocupaciones especiales ● Chimenea para uso industrial ● Embarcaciones ● Estructuras que contengan vapores inflamables, gases inflamables o líquidos que generen vapores inflamables. No se consideran los requisitos de instalación de los sistemas tradicionales de protección contra rayos para: ● Edificios en los que se fabriquen explosivos y polvorines ● Sistemas de generación, transmisión y distribución eléctrica. El propósito de la NFPA 780 es brindar los medios de protección para personas y propiedades contra los riesgos que surgen de las exposiciones a los rayos. En la edición 2004 se incluyeron modificaciones a la norma entre ellos: ● Conductos principales ● Platina ● Denominación clase II para estructuras mayores de 75 pies (23 M) de altura ● Separación adicional entre las varillas de puesta a tierra cuando se utilicen múltiples ● varillas de puesta a tierra ● Dispositivos de protección de sobrevoltaje que se instalan en la entrada de la acometida eléctrica, en la entrada de los sistemas de comunicación, antenas y donde el conductor de un sistema eléctrico o electrónico ingrese a la estructura. La Norma NFPA 780 consta de 08 capítulos y 09 anexos los cuales comprenden los siguientes temas: ● Capítulo 1. Administración ● Capítulo 2. Publicaciones de referencia ● Capítulo 3. Definiciones ● Capítulo 4. Protección para estructuras ordinarias ● Capítulo 5. Protección para estructuras varias y ocupaciones especiales ● Capítulo 6. Protección de chimeneas para uso industrial ● Capítulo 7. Protección de estructuras que contengan vapores y gases inflamables ● o líquidos que puedan generar vapores inflamables ● Capítulo 8. Protección de embarcaciones ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● Anexo B. Principios de la protección contra rayos Anexo C. Explicación de los principios de interconexión Anexo E. Técnica para la medición de descargas a tierra Anexo F. Protección para árboles Anexo G. Protección para picnics, áreas de juegos, estudios y otros espacios abiertos Anexo H. Protección para el ganado Anexo I. Protección de aeronaves estacionadas Anexo J. Reservado Anexo k. Protección de estructuras que almacenan materiales explosivos D II. Norma Francesa NFC 17-102 Este estándar fue publicado por GIMELEC, la cual se define como una agrupación de industrias de equipamiento eléctrico en Francia; en 1995, con el objetivo de estandarizar la manufactura, examinación e instalación de terminales aéreas tipo ESE. El estándar NFC 17-102 ha sido copiado por otros fabricantes no franceses con el fin de aplicar esta norma en diversos países, como por ejemplo España. La NFC 17-102 fue criticada en un reporte en el año 2001 por la Agencia Científica Francesa, INERIS, con el fin de no ser implementada por los fabricantes de terminales ESE, la critica fue aceptada por los fabricantes, los cuales acordaron realizar una revisión del documento, mas sin embargo estos no realizaron modificación alguna en su proceder, por lo tanto las terminales aéreas actualmente utilizadas alrededor del mundo no han solo fallado en el cumplimiento de las normas nacionales e internacionales sino que también han fallado en el cumplimiento de los propios estándares de manufactura. Otro punto de la recomendación por parte del Instituto Nacional De Evaluación De Riesgo De Francia, fue el de modificar la norma NFC 17 102, ya que el aumento en el volumen de protección está sobreestimado. Estas modificaciones según el reporte, deberán ser avaladas por un comité científico, internacional. Mientras tanto se recomienda no utilizar los criterios de la NFC 17 102 para equipos en la protección de áreas clasificadas. Siguiendo con el rechazo de las tecnologías ESE, la NFPA emitió un desacuerdo en el año 2000, esto propicio que varias empresas vendedoras de estos sistemas llevaran el problema a la corte, alegando “practicas tradicionales injustas”, sin embargo después de que expertos en la materia fueron llamados a declarar, la corte emitió un veredicto prohibiendo a los vendedores asegurar que sus productos proveen una zona de protección mucha más grande que la del electrodo Franklin; la corte decidió que las aseveraciones hechas por los vendedores constituían una violación a la ley de USA. Fig 7. Ángulo de protección punta franklin (Aplicaciones Tecnológicas S.A, n.d., 52) E. Guia de instalación Primeramente hay que dejar claro que existen los niveles de protección en este caso se puede usar como guía las figuras 5 y 6 donde los primeros niveles son donde debido al equipo de protección se espera una mayor probabilidad de un impacto de un rayo. Es importante tener en cuenta estos niveles si se quiere asegurar de una mayor forma las instalaciones y a la hora de coordinar las protecciones también se deben tomar en cuenta dichos niveles. Fig 6. Niveles de protección. (Aplicaciones Tecnológicas S.A, n.d., 49) Fig 7. Rango de los niveles. (Aplicaciones Tecnológicas S.A, n.d., 49) Bajantes: 1. Se deben proporcionar caminos paralelos para el camino del rayo. Dicho recorrido debe ser lo más directo posible. 2. La fijación de los conductores de una malla debe ser aproximadamente de 1 m. 3. Para evitar que las dilataciones de temperatura en las mallas se recomiendan los dilatadores cada 20 m 4. Se debe instalar un tubo de protección en la bajante cubriendo al menos 2 m desde el suelo. 5. Dichas bajantes se deben conectar a tierra. Equipo: ● Grapa ● Soporte de tubería ● Manguito ● Conector bimetalico ● Tubo de protección ● protección de uniones ● Conductor Tomas de Tierra: 1. Se recomienda un anillo de toma a tierra donde una todas las bajantes. 2. La resistencia de la toma a tierra debe ser menor a 10 ohms. Los conductores en tierra deben estar enterrados un mínimo de 50 cm. 3. No está permitido la utilización de piezas de aluminio E.I. Pasivos directamente en contacto con la tierra. Captación: Se deben proteger las esquinas, y elementos Equipo: sobresalientes de los edificios ● Electrodo de tierra Equipo: ● Manguito ● Punta franklin ● Mejorador de conductividad ● Soporte de punta ● Arqueta ● Dilatador de aluminio ● Puente de comprobación ● Manguito ● Grapa De tierra ● Conductor ● Conductor. En el caso de las puntas franklin el nivel de protección está dado por la figura 7. E.II. Activos Captación: 1. El radio de protección de un pararrayos con dispositivo de cebado (PDC) dependerá de la altura en 2. Equipo: ● ● ● ● relación con la superficie a proteger y su avance de cebado. El pararrayos debe de estar mínimo a 2m sobre lo que se desea proteger. 6. 7. Se recomienda la utilización de un mejorador de conductividad en el terreno si es necesario. Se espera un distanciamiento mínimo de 5 m de los elementos de toma a tierra al de las canalizaciones eléctricas PDC Pieza de adaptación Mástil Anclaje Equipo: ● Electrodo de tierra ● Arqueta ● puede de comprobación ● vía de chispas para tomas a tierra ● Manguito Bajantes: ● Conductor 1. Cada pararrayo debe ir unido a 2 bajantes, preferiblemente por fachadas distintas. 2. Cada bajante deberá ser lo más directo posible, si es III. EJEMPLO DE APLICACIÓN imposible colocar la bajante por el exterior del edificio se puede poner por la parte interior pero hay que ser conscientes que se reducirá la eficacia de la protección. 3. Las fijaciones de los conductores de bajada se realizan tomando 3 fijadores por metro. IV.CONCLUSIONES 4. el conductor de la bajada debe ser mínimo de 50 mm2 , se recomienda conductores planos. 5. Deberá contar con sus respectivas protecciones al menos 2 m por encima del suelo. 6. Como medidas de prevención se debe guardar una Referencias distancia de seguridad de 5 m del conducto de bajada Aplicaciones Tecnológicas S.A. (n.d.). Pararrayos y y una canalización de gas. 7. Se recomienda la instalación de un contador de rayos accesorios. AT3W, 42-119. Equipo: ● Grapa Aplicaciones Tecnológicas S.A. (2017). ¿Cuáles son los ● Manguito ● Contador de rayos efectos y consecuencias del impacto de un rayo sobre ● Tubo de protección ● Conductor los trabajadores en una zona abierta?. Disponible Tomas de tierra: en:https://at3w.com/blog/cuales-son-los-efectos-y-co 1. Una toma a tierra por cada conductor de bajada. 2. La resistencia de las tomas a tierra debe ser inferior a nsecuencias-del-impacto-de-un-rayo-sobre-los-trabaj 10 ohms y estar ubicadas siempre en el exterior de los edificios. adores-en-una-zona-abierta/ 3. La conexión se debe hacer en fondo de la excavación directamente al pie de cada bajante mediante un Cuellar, A. (2018). Diseño de sistema de protección contra dispositivo que permita la desconexión de la toma de descargas atmosféricas en la planta generadora tierra. 4. Las disposiciones recomendadas con los electrodos térmica, Acjutla [Tesis de grado]. Universidad de El verticales son un triángulo de 6m de longitud unido entre sí con un conductor enterrado mínimo a 50 cm Salvador. de profundidad 5. Todas las tierras deben estar unidas entre sí y en las alas del edificio en general mediante una vía de chispas. Donaire, A. (2018). Diseño de un sistema de protección de descarga atmosférica y sobre tensiones para un edificio de apartamentos [Tesis de grado no publicada]. Universidad Nacional de Ingeniería. Golup, G. (2002). Tormentas eléctricas, rayos y pararrayos. Universidad del Rosario. Disponible en: ://efaidnbmnnnibpcajpcglclefindmkaj/viewer.html?pd furl=https%3A%2F%2Fwww.fceia.unr.edu.ar%2F~fi sica3%2FTormentas.pdf&clen=335185&chunk=true Jurado Manchado, M. A. (2013). Análisis del comportamiento de líneas aéreas de distribución frente al rayo. http://deeea.urv.cat/public/PROPOSTES/pub/pdf/166 9pub.pdf Lozano, G. (2015). Protección de infraestructuras y circuitos eléctrico-electrónicos contra los efectos de tormentas eléctricas [Tesis de grado no publicada]. Instituto Politécnico Nacional. Lazo, J & Vélez, N. (2016). Estudio para la Implementación de Pararrayos en Sistema de Distribución de Mediana Tensión. [Tesis de grado no publicada]. Universidad Politécnica Salesia Sede Cuenca. Rojas, G. (n.d.). Manual de sistemas de puesta a tierra. CEMBRE.
