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ELECTRIFICACIÓN DE MASAS NUBOSAS
LOS RAYOS
EFECTOS DE LOS RAYOS
NECESIDAD DE PROTECCIÓN DE UNA ESTRUCTURA
PROTECCIÓN CONTRA EL RAYO: EL PARARRAYOS
MODELO TEÓRICO DE ESFERA RODANTE
EL AVANCE DE CEBADO
AVANCE DE CEBADO DE RAPTOR
INTENSIDAD Y FRECUENCIA DEL RAYOS
NIVEL DE SEGURIDAD
VENTAJAS DE RAPTOR RESPECTO A PUNTAS FRANKLIN
RADIOS DE PROTECCIÓN DE RAPTOR
TOMA DE TIERRA PARA PARARRAYOS
PARARRAYOS Y PROTECCIÓN ABSOLUTA
NORMAS APLICABLES
DATOS Y OTRAS CARACTERÍSTICAS DE RAPTOR
ELECTRIFICACIÓN DE MASAS NUBOSAS
En los objetos que ordinariamente manejamos, un bolígrafo, una taza, hay igual número de cargas positivas que de negativas y además estas cargas estarán repartidas uniformemente por lo que el objeto se considera neutro o sin carga.
Determinados procesos pueden provocar que las cargas se separen y aunque en su conjunto el objeto es eléctricamente neutro, una región poseerá mas cargas positivas que negativas y la otra al revés. En éstas condiciones diremos que el objeto esta cargado o electrificado.
De forma análoga, en la nube tormentosa, por distintos fenómenos físicos, se produce una separación de cargas que hace que tengamos zonas cargadas positivamente y zonas cargadas negativamente.
En las hipótesis más sencillas, se suele considerar que en su base (la parte mas cercana a tierra) la nube es negativa y en su parte más alta es positiva y aunque la realidad es ciertamente más compleja, nos servirá como una buena aproximación para comprender el fenómeno de formación del rayo.
LOS RAYOS
La electrificación de la nube (generalmente cumulonimbos) antes comentada hace que se vaya incrementando el gradiente de potencial entre la tierra y la nube.
Si el incremento de potencial sigue su curso hasta sobrepasar valor de orden de 10 kv/m se iniciarán los fenómenos que conducen a la formación de un rayo.
El inicio de la formación del rayo consiste en la formación de un trazador descendente invisible que se propaga en dirección descendente de la nube al suelo, lo hace a impulsos y va arrancando electrones de las moléculas de los gases atmosféricos a lo largo de su trayectoria. Se crea así un canal de aire ionizado que sirve después como vía de conducción eléctrica.
Cuando este trazador descendente está a unas decenas de metros del suelo o de un objeto o una estructura, modifica el campo eléctrico de tal manera, que en general, de los puntos más elevados de éstos, se genera un trazador ascendente que se propaga buscando el encuentro del trazador descendente.
Una vez que ocurre el contacto entre los líderes se produce la “fase de retorno” brillante y energética. Esta descarga de retorno esta constituida por corrientes que varían desde algunos miles hasta 300.000 amperios y viaja a una velocidad de al menos la mitad de la de la luz.
Hay que tener en cuenta que una vez establecido el canal, el rayo viaja realmente en ambos sentidos, en ocasiones varias docenas de veces y todo ello en tiempo extremadamente cortos del orden de 1- 2 segundos
EFECTOS DE LOS RAYOS
Sobre los datos disponibles en E.E.U.U sabemos que se producen en ese país 20 millones de descargas individuales que llegan al suelo, matan a varios cientos de personas, generan múltiples incendios y aproximadamente la mitad de los cortes eléctricos.
En la Península Ibérica cada año caen cerca de dos millones de rayos, provocando la muerte de una decena de personas y centenares de animales y el coste anual en desperfectos tanto a particulares, instituciones e industria se cifra en millones de euros.
A nivel de las personas los rayos matan:
1) Directamente por fulminación.
2) Indirectamente por contacto, corrientes de paso, o efectos diferidos como incendio y/o explosión.
Adicionalmente, sin llegar a matar, muchas personas sufren lesiones irreversibles que las incapacitan de por vida .
A nivel de instalaciones los rayos causan:
• Destrozos con implicación del impacto primario.
• Destrozos físicos directos con destrucción física directa de la estructura ( orificios, roturas, fundidos etc.)
• Incendios por incidencia sobre materiales combustibles.
• Explosiones donde haya materiales con riesgo de explosión.
• Averías e incidencias por efectos indirectos.
De hecho el radio de incidencias sobre estructuras puede afectar hasta 1500 metros del punto del impacto directo
Se pueden producir corrientes inducidas así como fenómenos magnéticos y electrostáticos que puedan afectar de forma irreversible al funcionamiento de máquinas, ordenadores, sistemas de comunicaciones, etc.
NECESIDAD DE PROTECCIÓN DE UNA ESTRUCTURA
Podemos determinar si es necesaria la instalación de un sistema de protección contra el rayo comparando la frecuencia esperada de impactos de rayo Nd, con el valor de frecuencia aceptable de rayos Nc.
Esta comparación permite decidir si es necesario un sistema de protección contra el rayo y el nivel de protección que requiere:
Si Nd es menor o igual que Nc el sistema de protección no es necesario.
SI Nd es mayor que Nc es necesario instalar un sistema de protección contra el rayo.
Los niveles de protección (Nivel III, II, I y I + medidas complementarias) tiene que ver con el % estadístico de rayos que serían captados para un determinado nivel. Como se verá más adelante este nivel y su correspondiente % tiene que ver con la intensidad de corriente que los rayos y el nivel será tanto menos cuanto mayor sea la intensidad de los rayos que queremos captar.
Para los cálculos de Nc y Nd ver ANEXO B DE LA NORMA UNE 21186 “ Protección de estructuras, edificaciones y zonas abiertas mediante pararrayos con dispositivo de cebado”
PROTECCIÓN CONTRA EL RAYO – EL PARARRAYOSLa protección contra el rayo, cuando se haya visto que es necesaria se basa en sistemas de dos tipos :
- Protección externa contra los impactos directos del rayo (Fundamentalmente pararrayos o jaula de Faraday).
- Protección interna contra sobretensiones provocadas por la caída del rayo en cualquier tendido de cable (Limitadores de tensión).
Los dos sistemas son complementarios y en muchas ocasiones se requiere ambos. El pararrayos inventado por Benjamín Franklin ha sido históricamente el sistema habitual de protección contra el rayo. En su disposición más simple consta de una punta metálica unida a tierra mediante un cable conductor.
La mejora más importante que se ha efectuado en este campo es el incorporar al pararrayos sistemas que permiten efectuar un avance de cebado incrementando con ello el radio de protección y seguridad.
RAPTOR es un pararrayos con un gran avance de cebado de 72 mseg. que permite incrementar la eficacia de la protección con una considerable reducción de costes y de estructura.
El incremento de eficiencia de los P.D.C. (pararrayos con dispositivo de cebado) se fundamentan en la teoría de la esfera rodante y en el incremento de avance de cebado.
MODELO TEÓRICO DE ESFERA RODANTE
La teoría de la esfera rodante esta basada en la suposición de que el punto de impacto de un rayo queda definido cuando el líder descendente esta a una distancia determinada de un punto de una estructura (edificio, objeto o suelo).
A esta distancia D se le denomina distancia de cebado y representa la distancia máxima entre la punta del trazador descendente y un punto de la estructura que puede ser impactado.
Si existen dos puntos de la estructura tales que están a distancia D y con ello otros puntos quedan fuera de la esfera ficticia de radio D, éstos últimos , automáticamente , quedan protegidos.
El paso de la esfera rodante por una estructura, nos dirá las zonas que están protegidas y las que no lo están.
Naturalmente alguna zonas estarán protegidas a costa del impacto en otras zonas de la estructura o del suelo.
La distancia de cebado D depende de la intensidad de corriente del rayo y es tanto mayor cuanto mayor es la intensidad:
D = 10 . I 2/3
Intensidad KA Distancia de cebado en m.
EL AVANCE DE CEBADO
Los pararrayos con avance de cebado como RAPTOR producen un líder ascendente, un tiempo antes Δt (avance de cebado ) que una punta convencional Franklin.
Si multiplicamos Δt por la velocidad del líder tendremos el incremento de distancia Δt recorrido por el líder, respecto a lo que habría recorrido si procediera de una punta Franklin.
ΔL (m) = V (m /Δs) . Δt (m /Δs)
Así la distancia de cebado D de la punta Franklin se vería incrementado en ΔL en el pararrayos con dispositivo de cebado dando una distancia de cebado mayor D + ΔL y por tanto mayor radio de protección .
AVANCE DE CEBADO DE RAPTOR
Como puede verse según informe del LABORATORIO CENTRAL OFICIAL DE ELECTROTÉCNICA, nuestro pararrayos presenta una zona de cebado Δt de :
Δt = 72 µs
INTENSIDAD Y FRECUENCIA DE RAYOS
Cuanto mayor es la intensidad del rayo, mayor es su peligrosidad, de ahí que todo pararrayos debe proteger en todo caso de los rayos a partir de una intensidad.
Veamos primero una relación de intensidades y frecuencias:
- Solo el 5 % de los rayos negativos tiene una intensidad mayor de 90 KA.
- El 80 % de los rayos negativos tiene una intensidad mayor de 20 KA.
- El 98 % de los rayos negativos tiene una intensidad mayor de 4 KA.
Así pues solo el 2% de los rayos tiene una intensidad menor de 4 KA y serán además los menos dañinos (pero también contra los que será más difícil protegerse).
NIVEL DE SEGURIDAD
Teniendo en cuenta las intensidades de corriente del rayo, frecuencia de esas las intensidades y la distancia de cebado ( en función de la intensidad) podemos comprender la tabla B.10 de la norma une 21186: 1996.
Así una intensidad de cresta máxima de 2,8 KA significa que la distancia de cebado son 20 m y que con el nivel de protección tendremos una capacidad de captación entre el 95 y el 98 % de todos los rayos que pudieran acceder a un determinado punto.
Cuando pasamos de nivel I a nivel II ó III, aumenta la distancia de cebado (más fácil efectuar la protección pero menos protegido contra los rayos de menor intensidad) pero disminuye la eficacia de la protección. Así a nivel III captaremos menos del 80% de los rayos que pudieran acceder a un determinado punto.
Cuanto más exigente es el nivel p.e.j. Nivel I mayor es el grado de instalación de protección que debemos efectuar y por tanto mayor el coste económico. De todas maneras, la propia norma determinará en cada caso el nivel de protección mínimo exigible.VENTAJAS DE RAPTOR RESPECTO A PUNTAS FRANKLIN
Para ver las ventajas de RAPTOR respecto a puntas Franklin veamos un ejemplo. Según se ve en la figura, para una estructura de 50 x 50 metros con 20 metros de altura, si queremos una protección de nivel II (esfera rodante de 45 m) necesitamos 22 puntas Franklin .
Hay que tener en cuenta que cada punta franklin necesitará una bajante así como su correspondiente toma de tierra.
El conjunto de materiales unido al costo de la instalación supone una cantidad que la hace poco viable económicamente.
Por el contrario, con un solo RAPTOR ubicado en la parte central de la cubierta, cubriríamos completamente la estructura con ese mismo nivel II de protección.
Para este caso la comparación sería:1 RAPTOR= 22 PUNTAS FRANKLIN
En general y aunque no en todos los casos la diferencia es tan abultada, manteniendo el mismo nivel de seguridad, técnica y económicamente, será mas adecuado colocar un RAPTOR que puntas Franklin.
RADIOS DE PROTECCIÓN DE RAPTOR
Según la norma UNE 21186 los radios de protección Rp. representados en la figura se pueden calcular según la fórmula:
Esta fórmula será valida siempre que h sea mayor o igual a 5 metros. Para valores de h inferior a 5 metros consultar las gráficas de la mencionada norma UNE 21186.
h es la distancia que hay entre la punta del pararrayos y el plano horizontal que pasa por el vértice del elemento a proteger.
D es la distancia de cebado en función del nivel de protección.20 m para el nivel de protección I
45 m.para el nivel de protección II
60 m para el nivel de protección III
ΔL es el incremento de la distancia de cebado, en nuestro caso 72 m.RADIOS DE PROTECCIÓN DE RAPTOR EN
FUNCIÓN DEL NIVEL DE SEGURIDAD
DISTANCIA DE LA ESTRUCTURA A PROTEGER
h
Así pues, para una determinada altura desde la punta del pararrayos y la superficie a proteger tendremos que determinar el nivel de protección necesaria y quedará asignado por la tabla su correspondiente radio de protección.Notar que en todos los casos el radio de protección resulta próximo a D +ΔL
De hecho D + ΔL nos puede servir como una aproximación rápida del radio de protección ( siempre que le h sea mayor de 5 m ).
TOMA DE TIERRA PARA PARARRAYOS
La misión de un pararrayos es captar una cantidad enorme de energía, que a través de las bajantes mandará a la toma de tierra, la cual la dispersará en el terreno.
Es obvio que atraer semejante cantidad de energía y no darle salida adecuada es contraproducente y naturalmente peligroso.
Así pues, la toma de tierra cobra una importancia capital y requiere conocimiento y criterio para ejecutarla de tal manera que realmente vayamos en el camino de incrementar la seguridad de la instalación.
Como estamos a frecuencias del Megahertzio cobran importancia tanto los efectos inductivos como los capacitivos y en ese caso lo que deberíamos medir es la impedancia de tierra y no la resistencia de tierra ( a frecuencias normales en las instalaciones eléctricas, ambos valores coinciden).
Así pues, en este caso será la impedancia la que nos indicará el nivel de peligrosidad. Sin embargo lamentablemente no existe en el mercado aparatos de uso común que midan la impedancia, por lo que nos vemos obligados como mal menor a medir la resistencia con el telurómetro.
Hay que notar que el valor de resistencia, puede ser extremadamente diferente del valor de la impedancia por lo que teniendo en una instalación un valor de resistencia de tierra bajo podría estar en condiciones de seguridad malas (con impedancia muy alta). Para que resistencia e impedancia vayan en el mismo sentido deberemos:
1) Buscar una resistencia lo mas baja posible y en todo caso no superior a 10 Ω.
2) Procurar que la instalación de tierra (desde el primer punto de acceso a tierra) sea lo menos extensa posible.
3) Evitar los electrodos o instalaciones de gran longitud, tanto vertical (pozos) como horizontal. Serán siempre preferibles varios electrodos en diferentes direcciones que uno sólo de gran longitud.
4) Toda la mejora que se efectúe en el terreno para incrementar su conductividad redundará en un menor grado de instalación y por tanto en que se parezcan más la resistencia y la impedancia.
Comex dispone de un conjunto de activadores de terrenos para generar grandes descensos de la resistencia de tierra:TERRAL-LIQUIDO: Activador para instalaciones habituales.
ION-FORTE: Especial para instalaciones de electrodo único y cuando se busca la máxima activación y perdurabilidad.
PROGAS: Diseñado para activación de tomas de tierra de instalaciones petroleras, gas, gasolineras, zonas corrosivas, etc.( El producto tiene un alto poder anticorrosivo).
Mas información en www.tomasdetierra.com .5) Cuando la tierra sobre la que debemos instalar es de alta resistividad y/o pedregosa, conseguir valores inferiores a 10 Ω será complicado, pero en todo caso es preferible efectuar activaciones de los electrodos instalados ( Con TERRAL-LIQUIDO, ION-FORTE, PROGAS), que incrementán la extensión de la toma de tierra.
Nota opcional: Ver el capitulo 4 Tomas de Tierra de la norma UNE 21186 : 1996
Por otra parte cabe mencionar, que aunque el pararrayos esté en una estructura o edificio que tiene toma de tierra, el pararrayos debe tener una toma de tierra propia, que medida independientemente debe tener los valores y características mencionadas anteriormente.
Adicionalmente esa toma de tierra propia del pararrayos, que cumple las condiciones mencionadas, debe unirse posteriormente a la toma de tierra de la estructura general.
PARARRAYOS Y PROTECCIÓN ABSOLUTALa pregunta que puede plantearse a la hora de colocar un pararrayos RAPTOR sería:
¿Tendré la seguridad absoluta de que el rayo que se acerque a mi estructura será captado por RAPTOR y por tanto no impactará en otras partes de la estructura?.
Al respecto indicar que la propia norma UNE 2186: 1996 dice:
“Una instalación de protección contra el rayo diseñada y realizada conforme a norma, no puede, como todo proceso en el que intervienen elementos naturales, asegurar la protección absoluta, de las personas o los objetos”.
Lo que si se puede asegurar es que con el empleo de RAPTOR y con un adecuado diseño de la instalación se puede reducir de forma significativa el riesgo de daño.
Si nosotros buscamos maximizar la seguridad diseñaremos la instalación con Nivel-I asumiendo que en estas condiciones el pararrayos captaría todos los rayos de una intensidad mayor de 4 KA ( que estadísticamente representan el 98 % de los rayos que podrían caer sobre la estructura)
Naturalmente aun con Nivel–I no estaríamos protegidos de la posibilidad de impacto en la estructura de rayos con intensidad menor de 4 KA.
Adicionalmente, los rayos de más de 4 KA serían captados por el pararrayos, suponiendo que la esfera rodante tiene la misma dimensión tanto en el suelo como en los diferentes puntos de la estructura, lo cual equivaldría a decir que todos los puntos del terreno y todos los puntos de la estructura (excepto el pararrayos) tiene la misma probabilidad de emitir lideres ascendentes y con la misma intensidad.
Como es obvio, la naturaleza es más compleja que nuestras teorías y existe documentación y pruebas suficientes para saber que esta homogeneidad no es real. En este sentido cabría pues, la posibilidad, de que una estructura bien diseñada y supuestamente protegida, fuera impactada por un rayo de intensidad claramente mayor de 4 KA.
Estas conclusiones de protección relativa son validas para cualquier sistema de protección de pararrayos, puntas Franklin, faradización o pararrayos con dispositivo de cebado.
Así pues, con RAPTOR tendremos un sistema, que instalado adecuadamente, si bien no puede eliminar los riesgos asociados al impacto del rayo, si que los puede minimizar al máximo
NORMAS APLICABLES
Las normativa aplicable a pararrayos es la siguiente: - Norma UNE 21185 Julio 1995.
Protección de las estructuras contra el rayo y principios generales.- Norma UNE 21186 Julio 1996.
Protección de estructuras, edificaciones y zonas abiertas mediante pararrayos con dispositivo de cebado. - Norma francesa NF C 17-103 de Julio 1995
Protección des structures et des zones ouvertes contre la fouder para paratonnerre a dispositif d¨amorçageRecomendamos a los instaladores que coloquen pararrayos que dispongan al menos de la norma UNE 21186 disponible en AENOR (Tel. 914326000).
DATOS Y OTRAS CARACTERÍSTICAS DE RAPTOR
+ Pararrayos con dispositivo de cebado.
+ Avance de cebado 72 micro segundos.
+ Fabricado según norma UNE 21186.
+ Ensayo de funcionamiento según norma UNE 21186.
+ Peso incluido adaptador 3, 7 Kg.
+ Altura ( de base a punta) 0,5 metros.
COMEX.TOMAS DE TIERRA, Fabricante de
Productos y Servicios Técnicos
P. I. Malpica C/E Nš 32-39
Parque Empresarial Inbisa II Nave 6
50016 Zaragoza
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