INTRODUCCIÓN

La caída de un rayo origina básicamente tres tipos de problemas:

1ª.- Si impacta directamente sobre la estructura de un edificio sin protección, provoca accidentes, como electrocución de seres vivos, incendios, daños en las edificaciones, destrucción de las instalaciones eléctricas y equipos a ellas conectados, motores, maquinaria, sistemas informáticos, comunicaciones, y también la interrupción de las actividades empresariales, entre otros.

2ª.- Si impacta sobre un cable aéreo de suministro de energía, produce una importante sobretensión que se distribuye por todas las instalaciones eléctricas, provocando la destrucción de los equipos eléctricos y electrónicos conectados a las mismas.

3ª.- El propio conducto del rayo, puede considerarse también como una inmensa antena que une la nube con la tierra, emitiendo una fuerte radiación electromagnètica, que será captada por los conductores de energía y por los equipos de telecomunicaciones que se encuentren dentro del radio de acción de la antena, transformándose la radiación recibida, en una sobretensión de energía conducida. Todo ello contribuirá a que se ocasionen daños y destrucciones.

Siendo de poca magnitud la señal utilizada en los aparatos electrónicos, cualquier perturbación electromagnética, por mínima que sea, impide su correcto funcionamiento, pudiendose causar daños irreparables en los sistemas de seguridad, anti-incendios, proceso de datos, etc.

Ello evidencia la necesidad de protegerse contra este fenómeno atmosférico aplicando el sistema de protección más eficaz existente, ya que repercute directamente en favor de la seguridad de las personas y en el buen funcionamiento de todo tipo de equipos e instalaciones.

El Sistema de Inhibición de la formación del rayo® de PROTOTAL, está basado en unos sólidos fundamentos físicos, teóricos y prácticos, que garantizan su eficacia y fiabilidad.

Para facilitar la comprensión del sistema, PROTOTAL presenta la descripción de los principios básicos de su funcionamiento en una forma simplificada, intentando que sea lo más comprensible posible, ya que los fenómenos que intervienen son muy complejos.

¿POR QUÉ SE PRODUCE EL RAYO?

Carga eléctrica del rayo

El gradiente eléctrico en la atmósfera, con el cielo despejado, es del orden de 100V/m, debido al campo eléctrico producido por las cargas negativas que normalmente existen en la superficie terrestre. En situación tormentosa, las variaciones de presión y temperatura en la atmosfera, dan lugar a la formación de cumulonimbus, cuya columna central puede alcanzar más de 15.000 metros de altura. Cuanto más alta sea la columna del núcleo de la nube, más frecuente será el rayo. Para ser capaz de generar un rayo, dicha columna interna necesita superar los 3.000 metros de altura.

Existen diversas y complejas teorías para explicar el mecanismo real de la separación de cargas, pero ninguna desvela con exactitud qué empuja las cargas dentro de la nube tormentosa. En la columna central del núcleo del cumulonimbus, existen corrientes ascendentes con velocidades superiores a 120 Kms/h que separan las cargas eléctricas originanarias de la descarga del rayo. Por estudios sobre la lluvia, se sabe que la precipitación fina adquiere una carga eléctrica positiva, mientras que partículas de agua más grandes, adquieren una carga negativa. El fuerte desplazamiento de aire en la columna interior del cumulonimbus separa estas cargas, empujando las partículas más finas (positivas) hacia las zonas altas. La carga negativa más pesada permanece en la base de la nube. A medida que se separan las cargas, las diversas zonas de la nube se cargan tanto, que las fuerzas eléctricas originan cada vez más y más fragmentos cargados.

La atracción entre la tierra y las cargas negativas de la base de la nube, crea el rayo: una corriente breve de cargas negativas que viaja de la nube a tierra. Como la tierra tiene muchas menos cargas negativas que la base de la nube situada encima, se genera una atracción entre ambas cargas. Por lo tanto, los electrones liberados cerca de la nube son atraídos hacia la tierra. A medida que se van moviendo, estos electrones chocan con moléculas de aire que encuentran en su camino, rompiendo sus enlaces (ionizándolos) y creando así más fragmentos cargados. Estos nuevos fragmentos son arrastrados junto con los electrones originales, creándose el efecto de avalancha eléctrica. Los iones positivos dejados atrás crean una nueva atracción al conjunto de electrones hacia la nube. A su vez, más electrones continúan liberándose en la nube arrastrando hacia la base a los que pretendían subir. Este proceso de freno y aceleración se repite continuamente, haciendo seguir al grupo de electrones iniciales un camino en zig zag, con avances de unos 50m en 50ms, desde la nube hacia la tierra, que se conoce como camino trazador o «stepped leader».

Al aproximarse al suelo la cabeza del efluvio trazador descendente (stepped leader), produce, por inducción, un rápido incremento del gradiente eléctrico en la superficie terrestre, que se añade a la componente continua, ya existente, como consecuencia de la distribución estática de cargas en la nube.

Fases en la descarga del rayo

Se divide en 4 fases:

1ª fase: PREDESCARGA o efluvios descendentes, aparición de efluvios trazadores descendentes, que se extienden desde la nube en dirección a tierra.

2ª fase: APARICIÓN DE EFLUVIOS eléctricos ascendentes, cuando la cabeza del trazador descendente se aproxima a tierra. Estos efluvios surgen, en la mayoría de los casos, a partir de elementos que sobresalen de la superficie terrestre, tales como árboles, chimeneas, antenas, pararrayos etc., consecuencia del «efecto punta».

3ª fase: CREACIÓN DE UN CANAL IONIZADO entre la nube y el suelo cuando la cabeza del trazador se une al efluvio ascendente. Se crea entonces un cortocircuito entre la nube y la tierra, permitiendo el paso de una corriente de alta intensidad. Es el llamado «return stroke».

4ª fase: TRAZA DE GRAN LUMINOSIDAD entre la nube y la tierra. Los electrones situados cerca del suelo son los primeros en sentir la conexión y acelerarse hacia abajo. A continuación, los sucesivos grupos superiores van haciendo lo mismo. Por lo tanto, aunque las cargas negativas se mueven de la nube hacia la tierra, el flash luminoso del rayo se mueve de la tierra hacia la nube, con un tiempo de 100ms. En el mismo instante, en su camino hacia tierra, las partículas negativas colisionan con el aire, calentándolo y causando una expansión repentina que se propaga en forma de onda sonora, llamada trueno.

Los picos de corriente oscilan desde 1kA hasta 400kA, aceptándose internacionalmente un valor medio de 30kA.

Es posible observar que no se produce un único rayo. Por el contrario, aprovechando el mismo canal ionizado, las descargas son múltiples. Se han llegado a contabilizar hasta 40. La energía liberada por la descarga se produce durante un tiempo de 100 a 300ms, y la duración del pico máximo de descarga es de tan sólo 1 o 2 microsegundos.

Más del 90% de las descargas de la nube hacia tierra tienen lugar entre la nube cargada negativamente y la tierra cargada positivamente, como se ha explicado, aunque también puede suceder a la inversa.

¿NOS PODEMOS PROTEGER?

PROTECCIÓN CONTRA RAYOS

A la hora de diseñar una instalación, se deben considerar tres niveles básicos de protección:

Primero.- Nivel de protección primaria contra la caída directa del rayo.Tradicionalmente incluye el terminal aéreo, el cable bajante y la toma de tierra.

Segundo.- Nivel de protección secundaria contra las sobre tensiones producidas por el impacto cercano de un rayo. Incluye sistemas limitadores de tensión.

Tercero.- Nivel de protección terciaria, protección específica de los equipos contra acoplamientos inductivos, difícil de lograr con los pararrayos tradicionales usados para la protección primaria, por la cercanía a la zona del impacto. Ello origina una fortísima perturbación electromagnética.

Nos centraremos en el estudio del primer nivel de protección de rayos, en el cual PROTOTAL introduce un innovador concepto con el Pararrayos Inhibidor PSDA, que entorpece la creación del camino por donde debería transcurrir el rayo, minimizando la posibilidad de caída del mismo. Posteriormente nos referiremos al filtro de tierras Induc-Control, el cual cubre los niveles segundo y tercero. O sea: protección de las tomas de tierra contra las perturbaciones eléctrico-atmosféricas de origen tormentoso vía tierra, evitando su paso y propagación.

El principio fundamental de funcionamiento del pararrayos clásico es el de provocar y ofrecer al trazador descendente un camino predeterminado a tierra que permita al máximo la descarga de la fuerte corriente eléctrica del rayo, disminuyendo así los efectos destructivos en las edificaciones y sus consecuencias directas. Existen diversos sistemas de pararrayos y diferentes técnicas.

El primer sistema se basa en la aplicación de las Leyes de Faraday. Se limita a envolver el edificio que se desea proteger con una densa jaula metàl·lica, a través de la cual, el rayo, en caso de impactar sobre el edificio, se disipará a tierra a través de dicha jaula, causando los mínimos daños a las estructures. Pero no evita, sino todo lo contrario, aumenta, los destructivos efectos llamados secundarios, causados por las inherentes y potentes inducciones electromagnéticas en los aparatos electrónicos y eléctricos.

Los demás sistemas pretenden ser más activos, porque en ellos se provoca e incentiva la caída del rayo mediante la ionización de la punta del pararrayos, generando la aparición de los efluvios ascendentes. Estos sistemas activos se basan en el llamado modelo electró-geométrico.

Dicho modelo, parte de la certeza experimental de que el avance del trazador del rayo no se produce de forma continua, sino que lo hace en forma de impulsos, avanzando una cierta distancia, parando, avanzando otra vez, parando, y así sucesivamente.

Según este modelo el punto de impacto del rayo es el primer punto de tierra que se encuentre a distancia límite del trazador descendente. Esta distancia límite, R, es la que separa la cabeza del efluvio eléctrico descendente del punto de impacto en el momento en que se crea un efluvio eléctrico ascendente, y depende en parte de la intensidad máxima de la corriente del rayo. Por lo tanto, se puede suponer que la punta del trazador está envuelta por una esfera imaginaria de radio R, que la acompaña en su trayectoria. Al aproximarse a tierra, el primer punto que entre en contacto con la imaginaria esfera, determinará el punto de impacto del rayo.

El sistema de punta activada se basa en las consideraciones siguientes: el gradiente de campo eléctrico aumenta alrededor del pararrayos a causa de su diseño geométrico (efecto punta). Cuando se le acerca un efluvio descendente durante la primera fase, el gradiente del campo eléctrico alrededor del vértice toma un valor superior al mínimo requerido para que se produzca la descarga. Esta, pues, se inicia desde la punta, dando lugar a un efluvio ascendente que sale al encuentro del efluvio descendente (segunda fase). El resultado final es la unión entre ambos y el drenaje de la corriente del rayo (fases tercera y cuarta), a través del sistema de puesta a tierra.

El campo eléctrico influye en el desarrollo del rayo en dos componentes simultáneos:

  • Por el lento crecimiento del campo, en función de la carga espacial localizada en la nube.
  • Por el rápido crecimiento del campo, asociado al efluvio descendente que se dirige a tierra.

Como no es posible controlar el efluvio descendente, una forma de mejorar la eficacia de estos sistemas es promover la creación y propagación del efluvio ascendente.

El primer pararrayos de este tipo que se utilizó fue el pararrayos de Franklin, consistente en una punta rodeada de aristas que aumentan la ionización del aire alrededor de la punta central. El radio de protección del pararrayos se calcula aproximadamente multiplicando su altura por 1,7.

El pararrayos actualmente prohibido por sus efectos contaminantes es el radioactivo, en el cual la ionización pretendía obtenerse mediante la emisión de partículas de un elemento radioactivo colocado en el extremo del pararrayos, efecto que en la práctica resultó ser nulo.

Otro tipo utilizado es el pararrayos ionizante, que funciona básicamente mediante el aumento de la tensión en la punta cuando el ambiente está cargado, de forma que se produzca un incremento del «efecto corona» (formación de iones alrededor de la punta en forma de corona), el cual tiende a aumentar la formación del efluvio ascendente.

SISTEMA DE INHIBICIÓN VERSUS PROVOCACIÓN

Aspectos de interés del sistema PROTOTAL

Existen dos aspectos de máximo interés que aconsejan la colocación de las protecciones PROTOTAL en todo tipo de instalaciones:

1.- La utilización de elementos de protección PROTOTAL en cualquier instalación, no interfieren, ni neutralizan ni contrarrestan, las protecciones existentes con anterioridad, a excepción hecha, claro está, de los pararrayos convencionales, que por tratarse de «captadores provocadores de rayos», deberán retirarse, puesto que entran en contradicción con el Sistema de Inhibición, cuya característica fundamental es, precisamente, la de intentar evitar el rayo, obstaculizando su formación.

2.- Las características propias de su funcionamiento, hacen que los equipos de protección de PROTOTAL sean invulnerables. Concretamente, los tiempos de activación de los elementos de protección son tan rápidos, que en ningún caso pueden encontrarse en situación de saturación.

Conceptos básicos

Transparencia (bajísima resistencia de paso) de los aparatos. Los filtros aéreos y los filtros de tierras PROTOTAL,conceptualmente, son de la misma naturaleza, aunque dimensionados de modo diverso, según la función a desarrollar y su ubicación.

Dichos filtros se encuentran «puenteados». Esto significa que en condiciones atmosféricas estacionarias, o sea, sin perturbación, entre las puntas del filtro el potencial es 0 y la resistencia es prácticamente nula (apenas unas centésimas de ohmio, debidas a la propia resistencia del cable y a las conexiones de los bornes). Por este motivo, se considera que el filtro de tierras Induc-Control es totalmente transparente (R= casi 0W) a las mediciones de comprobación de las tomas de tierra, actuando adecuadamente como derivador de las corrientes de fuga indeseadas hacia tierra, todo ello previsto en el Reglamento Electrotécnico para Baja Tensión, del Ministerio de Industria y Energía.

Potencial de activación

En condiciones transitorias, o sea, ante una perturbación, se activa a partir de un cierto potencial, el cual constituye el umbral de activación. A partir de este momento, el filtro comienza a actuar presentando un efecto de super-conductancia o resistencia negativa, por tanto, la intensidad de corriente pasa necesariamente por el filtro, no circulando por el cable que en este momento es un paso de mayor resistencia, o de alta impedancia.

En el caso del Pararrayos Inhibidor PSDA, debido a las oscilaciones del campo eléctrico que se dan por la agitación electromagnética ambiental, provocada por una nube incipiente, se ha dotado al filtro de un cabezal aéreo que actúa de condensador de dichos efectos. Este cabezal capacitativo tiene, entre sus varias funciones, la de garantizar el alcance del umbral de activación.

Máximo potencial que admite el filtro

A partir de este potencial de activación, aunque la onda perturbadora o activadora continúe en progresión, el filtro presenta, por inercia, un pequeño rebote que sobrepasa el potencial de activación, alcanzando su máximo valor después de sólo unos 300 a 500 ns. La respuesta del filtro es simple: se trata de una forma de onda sinusoidal amortiguada, cuya amplitud va disminuyendo de manera exponencial.

Tiempos de actuación

Los potenciales de activación en cualquiera de los dos casos se alcanzan con gran rapidez, siendo el tiempo máximo de 100 ns, y el mínimo, despreciable.

Para comprobar la rapidez con que las protecciones PROTOTAL empiezan a actuar, vamos a hacer una breve explicación de las pruebas estándar tipificadas por las normativas más exigentes.

Para cualquier aparato de protección, y concretamente en nuestro caso, para el filtro de la toma de tierra Induc-Control, las pruebas estandarizadas de aislamiento se realizan con la curva estándar 1,25/50 ms en tensión, para la caída directa o casi directa de un rayo, o también por una espuria residual del mismo. De hecho, este valor no es más que una propuesta extrema de un fenómeno difícil de cuantificar, pero se considera que el primer destello no acostumbra a cebarse en menos de 2-3 ms (estimaciones por la Ley de Lenz, en el caso modelizado de un salto de chispa entre las placas del condensador que representan respectivamente la nube y la superficie de la tierra, y con un dieléctrico atmosférico de humedad variable).

Por otra parte, las inducciones residuales (corrientes de derivación, no tiene sentido hablar de tensiones), se consideran amortiguadas por dos motivos: tanto por su propia naturaleza de inducción (son inducciones sin contacto directo dependiendo del coeficiente de acoplamiento), como por los elementos resistivos de diferente naturaleza (resistivos, inductivos y capacitativos) que encuentran a su paso. En definitiva, las pruebas de intensidad están modelizadas con el estándar 8/20 ms, que tiene una forma de onda con un pico en rampa, con una fase ascendente, menos pronunciada y una «cola» de la onda, fase descendente, mucho menos «llena», y por tanto menos energética.

Hay que destacar que el filtro para toma de tierra Induc-Control actúa bidireccionalmente. Ello quiere decir que es capaz de absorber las corrientes que puedan ser inducidas por la propia red de las tomas de tierra (por ejemplo un rayo que ha caído a 100 metros o a 1 Km. de distancia y que haya perturbado determinadas capas superficiales o subterráneas de la tierra con mayor o menor calidad resistiva, y que se transmita a la instalación a través de la toma de tierra), o bien puede actuar por una corriente generada por inducción en la propia infraestructura de la instalación.

El Sistema de Inhibición de PROTOTAL ha demostrado que la caída directa del rayo es un problema que ha pasado a la historia.

Por si surge la duda sobre la posibilidad de que una nube rápida se sitúe encima de nuestra instalación protegida y su efecto de creación de campo eléctrico sea más rápido que el de nuestro potencial de activación, (con las hipótesis extremas de una nube cargada a un máximo de 40 Culombs y que a 1 Km. de la vertical de nuestra instalación no perturba el campo eléctrico), diremos que la velocidad de la nube tendría que ser 3,6×109 Km./h, lo que representa aproximadamente de 7 a 8 órdenes de magnitud superior a la máxima velocidad de las nubes.

ESTUDIO DEL PARARRAYOS INHIBIDOR PSDA DE PROTOTAL

Descripción

El Pararrayos Inhibidor PSDA se compone de un cabezal aéreo soportado por un mástil al que se le acopla un filtro. El cabezal aéreo presenta una placa metálica de forma semiesférica, separada de otra pieza también de forma semiesférica, por el aire, un dieléctrico dinámico especial desarrollado por PROTOTAL y una pieza separadora aislante orgánica con una forma discal resistente a los agentes ambientales atmosféricos.

Funcionamiento del sistema inhibidor de rayos

Las etapas de su funcionamiento son las siguientes:

Primera.- La carga negativa de la base de la nube induce una carga positiva en la tierra, que se transmite a través del mástil del Inhibidor y carga positivamente (con carga Q1) la armadura interna del condensador.

Segunda.- El dieléctrico complejo y dinámico especial desarrollado por PROTOTAL existente en el condensador, permite que en la parte interior de la pieza semiesférica que lo envuelve se induzca una carga igual a la de la armadura interior pero de signo contrario, -Q1 (inducción de cargas).

Tercera.- Como el conductor armadura exterior inicialmente es neutro porque no está conectado a ningún terminal, ésta carga interior negativa produce una carga igual positiva en la parte exterior (separación de cargas), en contacto con el aire. Q2=Q1.

Cuarta.- El choque de partículas cargadas de la atmósfera circundante (negativas) puede influir en la carga exterior Q2 sin afectar a las otras. Se trata de un efecto similar a cuando se une un conductor a una fuente de tensión y después se separan, quedando el conductor cargado. Así, a medida que aumenta la carga en la nube también lo hace la carga imagen de la tierra, y por tanto, la del condensador, incrementándose hasta un valor máximo determinado por la capacidad del condensador y la tensión de ruptura del dieléctrico dinámico especial.

Al producirse la descarga del condensador, Q anulará -Q1 y sólo quedará la pieza semiesférica con carga Q2 positiva. En un caso ideal, la carga atmosférica no influye al conductor exterior y Q2 permanece igual a Q1. Tenemos pues un conductor cargado positivamente como punto de partida del proceso antes descrito. Así, pues, después de cada descarga del condensador, la carga positiva neta se incrementa en la misma cantidad (Q1), aumentando sucesivamente en función de la carga de la nube.

En la punta de Frankiln las líneas se concentran en la punta, ionizando el aire y favoreciendo la atracción del rayo. Con una esfera conductora conectada a tierra se consigue dispersar las líneas de campo y retardar la ionización. El Pararrayos Inhibidor PSDA permite concentrar mucha carga, que influenciará un área mayor. Esta carga variable permite una modificación de la densidad de líneas de campo en función de la carga de la nube.

Para un ion negativo lejano, ésta carga actúa como si fuera puntual y de valor Q2=n·Q1, (donde n es el número de descargas que han tenido lugar en el condensador) atrayéndolo con una fuerza proporcional a Q2 e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia.

Debido a la forma semiesférica del cabezal, el área influenciada tendría una forma redondeada.

El área de influencia del Pararrayos Inhibidor PSDA se amplia considerablemente cuando se complementa con un equipo que denominamos Corrector de Campo. Además de cumplir esta función, el Corrector también corrige y anula los posibles efectos punta.

Cualquier partícula que se encuentre dentro del área influenciada por el cabezal y elementos correctores añadidos, se verá atraída hacia ella.

Como las líneas de campo no convergen en un punto creando un efecto punta, sino que se distribuyen por todo el cabezal, se produce una equidistribución de la carga bajante, no formándose nunca un canal ionizado. En un caso extremo se producirían mini-descargas, distribuidas alrededor de la superficie de la pieza semiesférica. De esta forma se conseguiría ir descargando lentamente la nube a un bajo nivel energético, siempre que el radio de acción sea lo suficientemente grande. En realidad este dispositivo tiene un carácter ecualizador de carga.

En el supuesto de que el trazador procedente de la nube se formara, si su esfera de influencia entrara en el área protegida por el Pararrayos Inhibidor PSDA, daría lugar a una distribución de mini-descargas por toda la superficie. El proceso sería exactamente el mismo descrito anteriormente.

El proceso puede considerarse a la inversa: el cabezal lleva una cierta carga que suministra al trazador para anular la de éste (efecto Inhibidor). Entonces, nunca se produce la vuelta de la carga a partir de la tierra, y por lo tanto, nunca la gran intensidad que produce el rayo.

La situación descrita corresponde a un caso ideal en el cual la carga Q2 no se ve influenciada por la atmósfera circundante. En realidad, un ambiente húmedo y ventoso puede favorecer la descarga parcial de la parte externa del cabezal. En este caso, Q2 no aumentaría tan rápidamente, con lo cual el Pararrayos Inhibidor PSDA funcionaría exactamente igual.

Descarga del condensador

En el proceso de descarga del condensador es donde entra en juego el dieléctrico dinámico especial del cabezal aéreo. Esto es fundamental, porque la constante dieléctrica del material determina la capacidad del condensador, y ésta la carga que es capaz de almacenar.

CONCLUSIONES

Respecto al terminal aéreo

El resultado final de este estudio del Pararrayos Inhibidor PSDA desarrollado por PROTOTAL, demuestra su efectividad en cuanto a la protección contra el rayo, ya que siempre retarda su formación gracias a la forma semiesférica de la pieza metálica exterior. Esta morfología inhibe la formación de efluvios ascendentes que vayan a encontrar el camino trazado por el rayo en su formación, asegurando su carácter inhibidor mediante el correcto diseño del terminal aéreo. Descargando la atmósfera circundante, dificulta la formación del rayo alrededor del equipo inhibidor y la descarga descontrolada de la nube.

Todo lo descrito ha sido en el supuesto de una carga negativa en la base de la nube. Es obvio que en el caso de que esta carga fuera positiva, el Pararrayos Inhibidor PSDA funcionaría exactamente igual, pero a la inversa.