SISTEMAS DE PROTECCIÓN FRENTE AL RAYO

 HISTORIA DEL PARARRAYOS


Introducción 

En 1747 B. Franklin inició sus experimentos sobre la electricidad. Adelantó una posible teoría de la botella de Leyden, defendió la hipótesis de que las tormentas son un fenómeno eléctrico y propuso un método efectivo para demostrarlo. Su teoría se publicó en Londres y se ensayó en Inglaterra y Francia antes incluso de que él mismo ejecutara su famoso experimento con una cometa en 1752. Inventó el pararrayos y presentó la llamada teoría del fluido único para explicar los dos tipos de electricidad atmosférica, la positiva y negativa. Desde entonces el Pararrayos a evolucionado con diferentes tecnologías, unos, manteniendo el principio de ionización por efecto punta  a partir de un campo eléctrico natural.  

 


Experimento de franklin , Autor Eduardo Pardo.

 

La protección de estructuras es más tolerante que una protección electrónica. Así, un edificio puede tolerar hasta 100,000 V mientras que componentes electrónicos a 24 V se dañarán con voltajes sostenidos de 48 volts!

Los rayos ocurren con diferentes intensidades y un sistema que proteja contra su efecto deberá ser diseñado tomando en cuenta los rayos promedio o mayores del área en cuestión. Las descargas no pueden ser detenidas, pero la energía puede ser desviada en una forma controlada. El intentar proteger contra descargas directas puede ser excesivamente caro.

Un sistema de protección contra descargas, llamado de pararrayos, debe:


a) Capturar el rayo en el punto diseñado para tal propósito. La Terminal aérea.

b) Conducir la energía de la descarga a tierra, mediante un sistema de cables conductores que transfiere la energía de la descarga mediante trayectorias de baja impedancia.
c) Disipar la energía en un sistema de terminales (electrodos) en tierra.

Cuando la energía de un rayo viaja a través de una trayectoria de gran impedancia, el daño causado puede ser grave por el calor y las fuerzas mecánicas que se crean.

Como la tierra no tiene una resistividad uniforme en todos los puntos, dentro de un mismo predio puede existir un potencial entre dos placas de metal enterradas. Por eso, en un sistema de electrodos múltiples conectados entre sí, a manera de malla, existe la probabilidad de que exista una diferencia de potencial entre algunos de sus puntos aterrizados.

El problema de diferencia de potenciales entre electrodos se complica aún más cuando una nube cargada pasa por encima de la malla. Además, una descarga eléctrica que caiga cerca,

causará grandes corrientes en la tierra para restablecer el equilibrio de cargas. Al fluir esta corriente por tierra, causará una diferencia de potencial entre los diferentes electrodos y esta diferencia de potencial, a su vez, causará que fluya corriente por los conductores de la malla.

Es conocido que un campo magnético se crea cada vez que existe un rayo, no importando si es a tierra o entre nubes. Este campo induce una corriente en cualquier conductor en la vecindad del rayo. Si existen electrodos al final de ese conductor, fluirá por tierra la corriente cerrando el circuito. Por ejemplo, un oleoducto puede transmitir la corriente de una descarga a una gran distancia del punto donde la descarga tuvo lugar.

Todos los pararrayos que acaban en una o varias puntas tienen como principio la excitación y captación del rayo. En mayor o menor grado generan efectos segundarios de contaminación electroestática y electromagnética que afectan con la posible destrucción a las instalaciones eléctricas y equipos, por ese motivo los fabricantes de pararrayos recomiendan protecciones  suplementarias en las instalaciones internas para minimizar los efectos de la subida de tensión temporal (sobre tensión)  en los equipos eléctricos, de telecomunicaciones, audiovisual y cualquier otro que contengan electrónica sensibles, durante la descarga del rayo en el pararrayos. 

Durante la evolución industrial, no existían tecnologías electrónicas tan sensibles como las actuales, si miramos a nuestro alrededor, pocos son los equipos eléctricos o electromecánicos que no llevan incorporado un sistema electrónico de control para facilitarnos los procesos que utilizamos en nuestra vida cotidiana, todos ellos incorporan componentes electrónicos cada vez mas reducidos y sensibles a las variaciones de  tensión y frecuencia. Es evidente que  les afecta la contaminación eléctrico ambiental y dependen de la continuidad y calidad en el suministro eléctrico o en la comunicación de la información, por ese motivo se tiene que evitar en lo posible las fuentes que generan perturbaciones electromagnéticas,  como por ejemplo los impactos de rayos cercanos  o las instalaciones de pararrayos Franklin tipo punta o PDC ( pararrayos con Dispositivo de Cebado ) que excitan y atraen la descarga del rayo  dentro de los núcleos industriales  o urbanos. Otros utilizan el campo eléctrico atmosférico durante la tormenta para transferir la carga del sistema pacíficamente sin producir descarga  ( CTS, Charge Transfer System ).

 Algunas de las normativas de pararrayos

Las normas actuales relacionadas con las instalaciones reglamentarias de pararrayos, pretenden como objetivo de la protección del rayo, salvaguardar la vida de las personas y animales junto a sus propiedades y remarcan que en mayor o menor grado, aceptan que no existe una protección absoluta contra el fenómeno de las tormentas eléctricas, sino sólo una protección adecuada.

Las normativas dejan abierta la posibilidad de aplicar otros sistemas de protección, donde la necesidad de soluciones para la protección del rayo sea particularmente más exigente.   

Ensayos de pararrayos en laboratorio.

Los ensayos experimentales en un laboratorio técnico de alta tensión, solo se tendrían que  utilizar a nivel técnico comparativo como referencia para que el fabricante pudiera comprobar la efectividad técnica del cabezal aéreo (capta-rayos o pararrayos) que se lleva a ensayo.

No se podrá representar jamás en un laboratorio técnico, todos los parámetros variables de los fenómenos naturales que están implicados estrechamente en la transferencia, excitación y descarga del rayo.

Los parámetros y procedimientos que se utilizan actualmente en un laboratorio técnico de alta tensión, son fijos dentro de un protocolo y características técnicas. La configuración del ensayo no tienen que ver en absoluto con las tan diferentes configuraciones de las instalaciones de pararrayos. En el campo de aplicación de una instalación de pararrayos, intervienen muchos fenómenos medioambientales y diferentes contextos geográficos, formas arquitectónicas, materiales que pueden interferir positiva o negativamente en la transferencia, excitación y descarga de la energía del rayo. 

LGE-Pau  Laboratorio de ensayos eléctricos.

Los parámetros y procedimientos que se utilizan actualmente en un laboratorio técnico de alta tensión, son fijos dentro de un protocolo y características técnicas. La configuración del ensayo no tienen que ver en absoluto con las tan diferentes configuraciones de las instalaciones de pararrayos. En el campo de aplicación de una instalación de pararrayos, intervienen muchos fenómenos medioambientales y diferentes contextos geográficos, formas arquitectónicas, materiales que pueden interferir positiva o negativamente en la transferencia, excitación y descarga de la energía del rayo. 

El ensayo experimental de un pararrayos en un laboratorio técnico de alta tensión no contempla el resto de los componentes de una  instalación de un pararrayos, es decir, el mástil, los soportes, el conductor eléctrico, la toma de tierra, etc.

Las pruebas de eficacia de un sistema de protección del rayo, tienen que ser efectuadas en el campo de aplicación y comprobar que cumplan con el objetivo para lo cual todo el conjunto de la  instalación de un pararrayos ha estado diseñada, efectuando un seguimiento en tiempo real del fenómeno rayo y unas revisiones periódicas de mantenimiento. 

 

Resumimos algunos de los principios  de funcionamiento de algunos  Atrae-rayos y Parar-rayos  

Si deseamos captar el rayo ( Atrae-rayo ) pondremos atención en algunos tipos de pararrayos tipo Franklin o PDC ( Pararrayos con dispositivo de Cebado ) que basan su principio de funcionamiento en la ionización  pasiva o activa del aire para excitar la carga, y crear un camino abierto para capturar la descarga del rayo y canalizar su energía potencial  por un cable a la toma de tierra eléctrica.

 A. Los pararrayos ionizantes.

Pararrayos que ionizan el aire y capta la descarga del rayo ( Atrae-rayos):

*  Se destacan por ser electrodos acabados en una o varias puntas.

*  Están instalados en la parte más alta de la instalación y conectados  a tierra. Se dividen en:

o   Ionizantes pasivos (A-1, ver más adelante)

o   Semi-Activos (A-2, ver más adelante).

*  Durante la descarga del rayo se generan corrientes de Alta Tensión por el conductor eléctrico de tierra superiores, siendo peligroso estar cerca del pararrayos en ese momento.

Si de lo contrario deseamos parar el rayo ( Parar-rayos ) en un perímetro de seguridad del cual queremos proteger las instalaciones, nos decidiremos por la nueva tecnologías de pararrayos CTS ( Charge Transfer System ), en español Sistema de Transferencia de Carga. Basan su principio en la desionización, el objetivo es evitar la saturación de carga electroestática en la atmósfera, concretamente compensar pacíficamente la diferencia de potencial de la zona durante el proceso de la formación de la tormenta. Con este principio se evita el campo de alta tensión que genera la  formación de efluvios y la excitación de la presencia del rayo. El resultado es una zona eléctricamente estable sin influencias de caídas de rayos. 

B. Los pararrayos desionizantes pasivos. 

Pararrayos que desionizan el aire y para la formación del rayo ( parar-rayos): 

*  Se destacan por ser de forma esférica. 

* Están instalados en la parte más alta de la instalación y conectados a tierra.

*  Durante el proceso de la carga electroestática del fenómeno del rayo,  la transferencia de su energía a tierra, se transforma en una corriente de fuga a tierra, su valor eléctrico se puede registrar con una pinza amperimétrica de fuga a tierra, el valor máximo de lectura en plena tormenta no  supera  los  250  Mili-Amperios y es proporcional a la carga eléctrico-Atmosférica. 

 

    

 

A-1. Pararrayos ionizantes pasivos (PSF) Puntas simple Franklin ( Atrae-rayos simple ):

Analicemos algunos principios básicos. 

1. Características básicas. Son electrodos de acero o de materiales similares acabados en una o varias puntas, denominados Punta simple Franklin, no tienen ningún dispositivo electrónico ni  fuente radioactiva. Su medida varía en función del modelo de cada fabricante, algunos fabricantes colocan un sistema metálico cerca de la punta para generar un efecto de condensador.  

2. Su principio de funcionamiento. Se basa esencialmente en canalizar por la toma de tierra la diferencia de potencial entre la nube y  el cabezal del pararrayos, la instalación conduce primero hacia arriba, por el cable desnudo de  tierra, la tensión eléctrica generada por la tormenta, para compensar la diferencia de potencial en el punto más alto de la instalación. Durante el proceso de la tormenta se generan campos eléctricos  de alta tensión que se concentran en las puntas mas predominantes, a partir de  una magnitud del campo eléctrico alrededor de la punta o electrodo, aparece la ionización natural  o efecto corona, son mini descargas disruptivas que ionizan el aire, este fenómeno es el principio de excitación para trazar un camino conductor que facilitara la descarga del fenómeno rayo( Lider ).

En función de la transferencia o intercambio de cargas, se puede apreciar en  la PSF,  chispas diminutas en forma de luz, ruido audible a frito, radiofrecuencia, vibraciones del conductor, ozono y otros compuestos. Este fenómeno  arranca una serie de avalancha electrónica por el efecto campo, un electrón ioniza un átomo produciendo un segundo electrón, éste a su vez junto con el electrón original puede ionizar otros átomos produciendo así una avalancha que aumenta exponencialmente. Las colisiones no resultantes en un nuevo electrón provocan una excitación que deriva en el fenómeno luminoso. A partir de ese momento, el aire cambia de características gaseosas al límite de su ruptura dieléctrica, el rayo es el resultado de la saturación de cargas entre nube y tierra, se encarga de  transferir en un instante, parte de la energía acumulada; el proceso puede repetirse varias veces.

3. El objetivo de estos atrae-rayos es proteger las instalaciones del impacto directo del rayo, excitando su carga y capturando su impacto para conducir su potencial de alta tensión a la toma de tierra eléctrica. (Las instalaciones de pararrayos están reguladas por normativas de baja tensión).

Se han dado casos que la punta del PSF, el efecto térmico a fundido  varios centímetros de acero de la punta Franklin. 

A-2. Pararrayos ionizantes Semi-activos ( PDC) pararrayos con dispositivo de cebado (atraer-rayos):

 1. Características básicas. Están formados por electrodos de acero o de materiales similares acabados en una punta, incorporan un sistema electrónico que genera un avance en el cebado del trazador ( Líder ); No incorporan ninguna fuente radioactiva, tienen un dispositivo electrónico sensible compuesta de diodos, bobinas, resistencias y condensadores, inundados en una resina aislante, todo ello blindado; otros incorporan un sistema piezoeléctrico. Los dos sistemas se  caracterizan por anticiparse en el tiempo en la captura del rayo una vez que se produce la carga del dispositivo de excitación. Las medidas de los cabezales varían en función del modelo de cada fabricante. 

2. Principio de funcionamiento. Se basa esencialmente en canalizar por la toma de tierra la diferencia de potencial entre la nube y  el cabezal del pararrayos. La instalación conduce primero hacia arriba por el cable desnudo de  tierra, la tensión eléctrica generada por la tormenta, al punto más alto de la instalación para compensar la diferencia de potencial. El sistema electrónico aprovecha la influencia eléctrica del aumento de potencial  entre la nube y la tierra, para auto alimentar el circuito electrónico  y excitar la avalancha de electrones, la excitación del rayo se efectúa ionizando el aire por impulsos repetitivos, según aumente gradualmente la diferencia de potencial aportada por la saturación de cargas eléctrico-atmosféricas aparece la ionización natural  o efecto corona, son mini descargas periódicas que ionizan el aire , este fenómeno es el principio de excitación para trazar un camino conductor intermitente que facilitara la descarga del fenómeno rayo( Lider ).  

Durante el proceso de la tormenta se generan campos de alta tensión que se concentran en las puntas mas predominantes, a partir de una magnitud del campo eléctrico alrededor de la punta o electrodo, aparece la ionización por impulsos, son pequeños flujos eléctricos, se puede apreciar en forma de diminutas chispas de luz, ruido audible a frito, radiofrecuencia, vibraciones del conductor, ozono y otros compuestos. Este fenómeno  arranca una serie de avalancha electrónica por el efecto campo, un electrón ioniza un átomo produciendo un segundo electrón, éste a su vez junto con el electrón original puede ionizar otros átomos produciendo así una avalancha que aumenta exponencialmente. Las colisiones no resultantes en un nuevo electrón provocan una excitación que deriva en el fenómeno luminoso. A partir de ese momento el aire cambia de características gaseosas al límite de su ruptura dieléctrica, el rayo es el resultado de la saturación de cargas entre nube y tierra, se encarga de  transferir en un instante, parte de la energía acumulada en el condensador atmosférico ( nube-tierra ); el proceso puede repetirse varias veces.  

El dispositivo electrónico del PDC está conectado en serie entre el soporte del cabezal y el cabezal aéreo 

3. El objetivo de estos atrae-rayos es proteger las instalaciones del impacto directo del rayo, excitando su carga y capturando su impacto para conducir su potencial de alta tensión a la toma de tierra eléctrica.  

Estos equipos se caracterizan por incorporar un sistema de cebado que anticipan la descarga de 25 a 68 ųs, micro-segundos. (Las instalaciones de pararrayos PDC están reguladas por normativas de baja tensión). 

El dispositivo de cebado de los pararrayos PDC.  

El sistema de cebado necesita un tiempo de carga para activar el dispositivo electrónico que generara un impulso, a continuación volverá a efectuar el mismo proceso mientras exista el aporte de energía natural, este tiempo de carga del dispositivo electrónico no se contabiliza en los ensayos de laboratorio de alta tensión de un PDC. 

En el campo de aplicación, el dispositivo electrónico instalado en la punta del PDC, necesita un  tiempo de trabajo para la cargar del sistema de cebado; Durante ese proceso, el efecto de ionización se retrasa en la punta del PDC referente a los sistemas convencionales de pararrayos Franklin. 

El dispositivo de cebado está construido con componentes electrónicos sensibles a los campos electromagnéticos, está instalado en el cabezal aéreo (PDC) dentro de la influencia de los efectos térmicos, electrodinámicos y electromagnéticos del rayo. En fusión de la intensidad de descarga del rayo la destrucción del dispositivo electrónico es radical, a partir de ese momento la eficacia del PDC no esta garantizada y la instalación de protección queda fuera de servicio. 

Algunos fabricantes aconsejan la revisión del circuito electrónico del pararrayos cada vez que recibe un impacto.

Pararrayos desionizantes pasivos, tecnología CTS, Charge Transfer System , (parar-rayos). 

1. Características básicas. Los Pararrayos Desionizadores de Carga Electroestática (PDCE), incorporan un sistema de transferencia de carga ( CTS ), no incorporan ninguna fuente radioactiva. Se  caracteriza por transferir la carga electroestática antes de la formación del rayo  anulando  el fenómeno de ionización o efecto corona. El cabezal del pararrayos está constituido por dos electrodos de aluminio separados por un aislante dieléctrico todo ello soportado por un pequeño mástil de acero inoxidable. Su forma es esférica y el sistema está conectado en serie con la propia toma de tierra  para transferir la carga electroestática a tierra evitando la excitación e impacto directo del rayo. 

2. Su principio de funcionamiento. Se basa esencialmente en canalizar por la toma de tierra la diferencia de potencial entre la nube y  el cabezal del pararrayos, la instalación conduce primero hacia arriba, por el cable desnudo de  tierra; la tensión eléctrica generada por la tormenta eléctrica al punto más alto de la instalación, durante el proceso de la tormenta se genera campos de alta tensión que se concentran en el electrodo inferior (cátodo -) , a partir de una magnitud del campo eléctrico, el electrodo superior (ánodo +) atrae cargas opuestas para compensar la diferencia de potencial interna del cabezal , durante el proceso de transferencia, en el interior del pararrayos se produce un flujo de corriente  entre el ánodo y el cátodo, este proceso natural anula el efecto corona en el exterior del pararrayos, no produciendo descargas disruptivas, ni ruido audible a frito, ni radiofrecuencia, ni vibraciones del conductor. Durante el proceso, se  produce una fuga de corriente a tierra por el cable conductor eléctrico, los valores máximos que se pueden registrar durante el proceso de máxima actividad de la tormenta, no superan los 300 miliamperios. A partir de ese momento el campo eléctrico ambiental no supera la tensión de ruptura al no tener la carga suficiente para romper su resistencia eléctrica.  

3. El objetivo es evitar el impacto directo en la zona de protección para proteger a las personas, animales  e instalaciones, el conjunto de la instalación se diseña para canalizar la energía del proceso anterior a la formación del rayo desde el cabezal aéreo hasta la toma de tierra. ( las instalaciones de la puesta a tierra y cables del pararrayos están reguladas según las normativas de baja tensión) 

4. Las instalaciones de pararrayos con tecnología CTS cubre unas necesidades más exigentes de protección, donde los sistemas convencionales de captación del rayo acabados en punta no son suficientes.

 

 

Estado actual de los pararrayos radiactivos:  


 Madrid, 20 abr (EFE).- Unos 5.000 pararrayos radiactivos quedan todavía en España,   de los 25.000 que se estima que se instalaron en la década de los sesenta y setenta y, aunque no suponen ningún peligro, ENRESA sigue retirando unos 1.500 al año de forma gratuita si lo solicitan los propietarios.

    La Empresa Nacional de Residuos Radiactivos (ENRESA) ha retirado 19.922 pararrayos radiacti

vos, desde que en 1992 se inició la operación de desmantelamiento tras la decisión del Gobierno en 1986 de prohibir la colocación de nuevas unidades, que se diferencian de los convencionales en que tienen sobre el mástil "una corona o cabeza con el isótopo radiactivo americio 241".