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Año 1 – Numero 1

2012


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Editorial

INTRODUCCION

 Director: Ariadny Rivero.

En el planeta tierra, ocurren un promedio de 100 descargas atmosféricas cada segundo, por lo que se producen alrededor de 8 millones de actividades al día. De acuerdo a teorías generalmente aceptadas, los rayos juegan un papel importante en un intento de la naturaleza por mantener un balance dinámico entre las cargas de las capas superiores de la atmósfera y la

 Redacción: Ariadny Rivero.  Documentación: Ariadny Rivero. Arte y Diseño

superficie terrestre. Fue Benjamín Franklin el principal científico de la era moderna en estudiar el fenómeno no solo en cuanto al

 Maquetación:

origen y carga de la nube, sino en las alternativas de protección

Ariadny Rivero.

contra este fenómeno. Sin embargo, el hombre desde los inicios

 Ilustración:

de su existencia se ha visto fascinado y atemorizado ante este

Ariadny Rivero.

evento natural. Alrededor de él, se han originado, dioses, leyendas, maldiciones, venganzas, milagros, entre otros. Se habla de protección, pues a pesar de tratarse de un evento natural de

Publicidad  Ariadny Rivero.

espectacular belleza, su poder destructivo debido a la gran energía que maneja en mínimos intervalos de tiempo, es muy grande. A través de este tema se pretende que las personas, se familiaricen no solo con la terminología empleada en las protecciones contra descargas atmosféricas, si no también con los métodos utilizados y los distintos tipos de pararrayos para prevenir el impacto de los rayos sobre el suelo.

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PROTECCIÓN CONTRA DESCARGAS ATMOSFÉRICAS La descarga atmosférica no es más que la igualación violenta de cargas de un campo eléctrico que se ha creado entre una nube y la tierra o entre nubes y nube. DESCRIPCION DEL RAYO El rayo es una descarga eléctrica de origen atmosférico, que se produce entre las partes de distinta polaridad de una misma nube, o de nubes vecinas (relámpagos),

o

de

una

nube

cargada

y

el

suelo

(RAYO).

En

este

último caso se generan cargas de polaridad opuesta en la nube, mientras que la carga del terreno inmediato situado debajo de la nube resulta inducida por la carga inferior de ésta, actuando en realidad como las armaduras de un enorme condensador cuyo dieléctrico es la capa de aire (existente entre la nube y el terreno), que cuando acumula una carga suficiente se produce la descarga. El rayo es una de las manifestaciones de la electricidad atmosférica, que por su naturaleza

y

sus

efectos

directos

e

indirectos

puede

producir

daños de los que, sin embargo, podemos protegernos mediante la instalación de pararrayos y de limitadores de sobretensión. Los rayos que nos interesan por su efecto, son los de nube a tierra, y en éstos se pueden encontrar cuatro tipos: dos iniciados en las nubes y dos iniciados en la tierra, ya que pueden ser positivos o negativos. Los más comunes, siendo el 90 % de los rayos detectados, son de una nube

negativa

hacia

tierra.

Usualmente 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

vence la rigidez dieléctrica del medio (aire o vapor de agua).

cuando

se

Simultáneamente

con el rayo se produce la luz (relámpago) y el sonido (trueno). ¿CÓMO OPERA UNA DESCARGA ELÉCTRICA ATMOSFÉRICA (RAYO)? Desde el primer momento en que se tiene conocimiento de que un rayo es una descarga eléctrica, científicos e ingenieros han estudiado e investigado con

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profundidad las tormentas y descargas eléctricas atmosféricas (sin embargo, la protección contra los rayos no ha cambiado substancialmente desde los tiempos de Benjamín Franklin). Después de siglos de estudios e investigaciones, nuevos y sofisticados instrumentos que han aportado grandes conocimientos, todavía hay muchas incógnitas acerca de este fenómeno que no ha sido claramente entendido. Para entender como opera la protección contra descargas eléctricas atmosféricas y cuál es el sistema más adecuado para diferentes aplicaciones, es necesario un análisis de lo que es el fenómeno. Mecánica del Rayo Las nubes de tormenta son cuerpos cargados eléctricamente, suspendidos en una atmósfera que puede considerarse, en el mejor de los casos, como un conductor pobre. Durante una tormenta, ocurre una separación de cargas dentro de la nube. El potencial en la base de la nube, generalmente se considera alcanza cerca de cien millones de volts y el campo electrostático resultante es de 10 kV por metro de elevación sobre la superficie de la tierra. El proceso de carga (o separación de carga) dentro de la célula de tormenta, generalmente deja a la base de la nube con una carga eléctrica de polaridad negativa, sin embargo, en muy raras ocasiones, llega a ocurrir lo contrario. Esta carga resultante, induce una carga similar de polaridad positiva en la tierra, concentrándose en la superficie, justo en el rastro o la sombra que deja la nube y más o menos, con el mismo tamaño y forma de la nube (Ver figura 1). A medida que la tormenta crece en intensidad, la separación de carga continúa dentro de la nube, hasta que el aire entre la nube y la tierra no puede actuar más como aislante eléctrico. El punto de ruptura específico varía con las condiciones atmosféricas.

Figura 1: Separación de Cargas.

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Las formaciones de relámpagos de baja intensidad llamadas “paso líder”, se mueven de la base de la nube hacia la Tierra. Estos pasos son de más o menos la misma longitud, y esa longitud está en relación directa con la carga eléctrica en la célula de la tormenta (la nube) y la corriente pico del rayo. Estos pasos líder, varían en longitud de 10 metros a más de 160 metros, para una descarga eléctrica de polaridad negativa. A medida que los pasos líder se acercan a la tierra, el campo eléctrico entre los pasos líder se incrementa con cada paso. Finalmente, a casi un paso de distancia de la tierra (o en una instalación sobre la tierra), se establece una “zona de impacto”, como se ilustra en la Figura 2. Una zona de impacto en forma de hemisferio, con un radio igual a la longitud de un paso líder. El campo eléctrico dentro de la zona de impacto es tan grande, que crea “streamers” o flámulas, moviéndose hacia arriba desde los objetos que están sobre la tierra. El primer streamer que alcance al paso líder, cierra el circuito eléctrico e inicia el proceso de neutralización de la carga eléctrica de la nube.

Figura 2: Zona de Impacto Cuando se encuentran estructuras entre la tierra y la célula de tormenta (nube), esas estructuras se cargan eléctricamente. Puesto que ellas acortan una parte de la separación del espacio de aire, ellas pueden disparar un rayo, ya que la estructura reduce una porción significativa del espacio de aire intermedio.

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La neutralización de la carga (el rayo), es causada por el flujo de electrones de un cuerpo a otro, de tal manera que como resultado, no hay una diferencia de potencial entre dos cuerpos (Ver Figura 3). El proceso crea el mismo efecto que se tiene cuando se acercan las terminales de una batería. Un arco eléctrico.

Figura 3: Neutralización de la carga eléctrica (Rayo) EFECTOS DEL RAYO Acústicos (el trueno): debido a la desaparición brusca, en el momento de la extinción del arco, de la sobrepresión de aire creada por el paso de la corriente del rayo. Térmicos: se deben esencialmente al calor disipado por efecto Joule en los elementos recorridos por la corriente del rayo. Eléctricos: se deben a las derivaciones y sobretensiones, a causa del brusco frente de la onda de corriente y a la elevada impedancia que presentan los conductores en alta frecuencia. Eléctricos de inducción: se deben al campo electromagnético creado por la circulación de la corriente del rayo. Mecánicos: por la destrucción de elementos afectados.

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EL CONO DE PROTECCIÓN Se utiliza el método del "cono de protección" para calcular la zona protegida por el pararrayos. Tal método estima que una barra conectada a tierra protege una

zona

incluida

dentro

de

un

cono

de

protección

cuyovértice está en la punta de la barra y que tiene como base unacircunferencia que rodea la misma. La abertura del cono de protección se estima entre 30º y 60º, adoptándose 45º de modo tal que se proteja todo el edificio.

o

A: Cabeza del captor.

o

B: Plano de referencia.

o

OC: Radio del área protegida.

o

Ht: Altura del captor arriba del plano de referencia. PROTECCION CONTRA LAS DESCARGAS Tanto el sistema de protección externo como interno estarán apoyados por un

buen sistema de toma de tierra, para la evacuación de las corrientes del rayo, así como una adecuada equipotencialidad entre todos los sistemas de tierra, tanto de los sistemas de protección como de los circuitos eléctricos y telefónicos del espacio a proteger. La decisión de dotar a una estructura de un adecuado Sistema de Protección Contra el Rayo (SPCR) depende de factores como la probabilidad de caídas de rayo en la zona, su gravedad y consecuencias para personas, maquinaria u operatividad en empresas.

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Para realizar una correcta protección debemos dotar nuestra estructura de dos sistemas de protección: protección externa contra impactos directos de rayo (pararrayos,

tendido

o

jaula

de

Faraday),

y

protección

interna

contra

sobretensiones provocadas por la caída del rayo en cualquier tendido de cable (limitadores de tensión). Protecciones Externas de Impacto Directo Para la protección de estructuras y personas se hace necesaria la utilización de un sistema de protección contra el rayo (SPCR), el cual debe atraer el rayo y canalizar las corrientes hacia tierra. Entre las estructuras en las que es necesaria la instalación un SPCR se tienen lo siguientes: edificios o zonas abiertas con concurrencia de público, depósitos de materias peligrosas, edificios del patrimonio cultural, entre otros. Sistemas para la Protección Externa contra el rayo Punta Franklin 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

metálico cerca de la punta para generar un efecto de condensador.

sistema Durante

el

proceso de la tormenta se generan campos eléctricos de alta tensión entre nube y tierra. Las cargas se concentran en las puntas más predominantes a partir de una magnitud del campo eléctrico. Alrededor de la punta o electrodo aparece la ionización natural o efecto corona, resultado de la transferencia de energía. El objetivo de estos pararrayos atrae rayos es proteger las instalaciones del impacto directo

del

rayo,

excitando

su

carga

y

capturando

a la carga de la nube. Durante el proceso de máxima

su

proporcional

actividad

de

la

tormenta se pueden registrar valores máximos de transferencia de 300 miliamperios por

el

cable

de

la

instalación

electrostática de la instalación se compensa

del

pararrayos.

progresivamente

a

La

carga

tierra

según

aumenta la diferencia de potencial entre nube y tierra, neutralizando el efecto punta en tierra en un 100 % de los casos (trazador o líder). El cabezal captador del

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pararrayos no incorpora ninguna fuente radioactiva. El efecto de disipar constantemente el campo eléctrico de alta tensión en la zona de protección, garantiza

que

el

aire

del

entorno

no

supere

la

tensión de ruptura evitando posibles chispas, ruido audible a frito, radiofrecuencia, vibraciones del conductor y caídas de rayos. El objetivo del conjunto de la instalación, se diseña como sistema de protección contra el rayo (SPCR) donde el motivo principal es evitar la formación y descarga del rayo en la zona de protección. Componentes Del Pararrayos •

Cabezal Captador.

Mástil

Cable conductor de bajada

Tubo de protección del cable de bajada.

Electrodo de toma de tierra.

Protector contra sobre tensiones eléctricas Tendido Protección formada por uno o múltiples conductores aéreos situados sobre la

estructura a proteger. Los conductores se deberán unir a tierra mediante las bajantes en cada uno de sus extremos. El área protegida vendrá dada por el área formada por el conjunto de conductores aéreos. Componentes Del Pararrayos •

Uno o varios conductores aéreos.

Una bajante en cada extremo de los conductores.

Una toma de tierra por bajante.

Unión equipotencial de las tomas de tierra y circuito general de tierras. Jaula de Faraday El sistema consiste en la recepción del rayo a través de un conjunto de puntas

captadoras unidas entre sí por cable conductor, formando una malla, y derivarla a tierra mediante una red de bajantes conductores.

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Componentes Del Pararrayos •

Múltiples puntas captadoras.

Red de unión de las diversas puntas.

Una bajante conductora por punta captadora.

Una toma de tierra por bajante.

Unión equipotencial de las tomas de tierra y circuito general de tierras. Sistema de Cebado Los pararrayos con sistema de cebado o cebadores, emiten descargas

eléctricas de polaridad inversa al rayo, consiguiendo atraerlo y elevar el punto de impacto por encima de la estructura a proteger, por lo que crea mayor radio de cobertura en la base, frente a un pararrayos convencional. Un pararrayos con sistema de cebado no es comparable a una simple punta Franklin, sino a toda una instalación de ellas, necesarias para cubrir la misma área de protección, con el consiguiente ahorro en instalación y materiales de bajantes, tomas

de

tierra,

También

presenta

equipotencialidad

ventajas

con

respecto

a

de

las

los

otros

mismas, sistemas

etc.

para

la

protección de estructuras abiertas, como pueden ser superficies al aire libre, instalaciones deportivas, etc. En resumen, el sistema ofrece grandes ventajas y un ahorro considerable con respecto a los sistemas pasivos de captación. MÉTODOS DE PROTECCIÓN Y NECESIDADES DE INSTALACIÓN DEUN PARARRAYOS. Tanto

en

Europa

(donde

caen

menos

rayos

que

en

lo

países

latinoamericanos), como en Norteamérica, se ha debatido mucho sobre los métodos de protección, tanto así que en Europa permanecen los dos estándares de protección, el llamado Franklin/Faraday, que es el tradicional, y el de puntas de inicio ( early streamers en inglés). En EUA, el estándar aprobado por la asociación contra el fuego (NFPA) es el Franklin/Faraday y, se conoce como NFPA-780. El otro, no fue aceptado como parte del estándar, ya que se considera de efectividad igual que una punta del tipo Franklin. Los equipos y estructuras son clasificados según su necesidad de protección contra descargas atmosféricas.

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PRIMERA CLASE Las estructuras de esta clase, requieren de poca o ninguna protección. El requisito es que verdaderamente estén conectados a tierra. Ejemplos de esta clase son: a) Todos las estructuras metálicas excepto tanques u otras estructuras que contengan materiales inflamables. b) Tanques de agua, silos y estructuras similares, construidas mayormente de metal. c) Astas bandera construidas de algún material conductor. SEGUNDA CLASE Esta clase consiste de edificios con cubierta

conductora

y

estructura

no

conductora, tal como edificios con cubierta metálica. Este tipo requiere de conductores para conectar la cubierta a electrodos en la tierra. TERCERA CLASE Esta clase consiste de edificios con estructura metálica y cubierta no conductora. Este tipo requiere de terminales aéreas conectadas a la estructura y fuera de la cubierta para actuar como terminales pararrayos. CUARTA CLASE Esta clase consiste de estructuras no metálicas, que requieren una protección. Se incluyen en esta clase: a) Edificios de madera, piedra, ladrillo u otros materiales no conductores, sin elementos de refuerzo metálicos. b) Chimeneas: Aún con elementos de refuerzo, éstas deben tener una gran protección contra rayos con terminales aéreas, cables de bajada y electrodos de aterrizado. QUINTA CLASE Consiste de aquellas cosas cuya pérdida puede ser de consecuencias, y que normalmente recibe un tratamiento pararrayos completo, incluyendo terminales aéreas, cables de bajada y electrodos de aterrizado. Entre éstas están: a) Edificios de gran valor estético, histórico o intrínseco. b) Edificios conteniendo combustibles

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o materiales explosivos. c) Estructuras conteniendo sustancias que pueden ser


peligrosas si se derraman como consecuencia de una descarga. d) Tanques o conjuntos de tanques. e) Plantas de energía y estaciones de bombeo. f) Líneas de transmisión. g) Subestaciones eléctricas. CLASIFICACION DEL SISTEMA DE PARARRAYOS

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Descargas Electricas  

Todo sobre las descargas electricas y la proteccion contra ellas.

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