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Tecnología e ingeniería MERLIN S.A. DE C.V.

PROTECCIÓN EXTERNA CONTRA EL RAYO


BIENVENIDO AL MUNDO DE LAS DESCARGAS ATMOSFÉRICAS Y LA PROTECCIÓN CONTRA EL RAYO Tecnología e Ingeniería Merlín S.A. De C.V.

En 1747 Benjamín Franklin Inicio sus experimentos y defendió la hipótesis de que las tormentas eran un fenómeno eléctrico y propuso un método efectivo para demostrarlo. Su teoría se publico en Londres y se ensayo en Francia antes de que él mismo ejecutara su famoso experimento con una cometa en 1752 resultando la invención del pararrayos. Además de presentar su teoría llamada fluido único para explicar los dos tipos de electricidad atmosférica, la positiva y la negativa.


SINOPSIS El Rayo es uno de los Espectáculos más Extraordinarios de la Naturaleza, El brillante resplandor que une a la tierra con el cielo que puede aparecer zigzagueante o bien como una línea resplandeciente, seguida de un tremendo y retumbante trueno. El Rayo es en realidad una enorme chispa eléctrica, que circula entre las nubes o de nube a tierra. Las consecuencias de la descarga directa provocan daños a personas o cosas, Incendios, interrupciones en la energía eléctrica y pueden originar grandes perdidas en la producción. La protección contra Descargas Atmosféricas constituye un tema de vasto alcance al que van unidos importantes problemas de protección y seguridad. Una de las preguntas mas frecuentes es: ¿El Rayo es de nube a tierra o de tierra a nube? Antes de responder a la pregunta primero hay que comprender que es un rayo y para esto comencemos recordando algo sobre el Átomo.

Según la teoría atómica, toda la materia tiene una estructura parecida al sistema solar, la materia esta compuesta por átomos comparativamente tan separados entre si como los cuerpos celestes en el espacio interestatal. Esto explica porque los rayos X y las radiaciones pueden penetrar cuerpos aparentemente sólidos. El átomo consiste en un núcleo con carga positiva al que rodea un núcleo variable de electrones cuya carga es negativa estos electrones se mueven alrededor del núcleo en una gran diversidad de orbitas, por lo general las cargas negativas de los electrones y las cargas positivas del núcleo son iguales, en algunos electrones su orbita se encuentra bastante próxima al núcleo, y otros se encuentran orbitando muy distante del mismo, hasta mezclarse con electrones de otros núcleos; el desarrollo de este fenómeno es lo que da origen a la generación de energía eléctrica. En conclusión, el exceso o definid de electrones en la materia causa un desequilibrio en la misma obteniendo los siguientes resultados 1º. Tendrá mayor carga positiva si existe déficit de Electrones. 2º. Tendrá mayor carga negativa si existe exceso de Electrones.

Este desequilibrio de Electrones es el que conocemos como Electricidad Estática.


CONDICIONES PARA QUE SE PRODUZCA UN RAYO Se ha observado a través del desarrollo de la Actividad Cotidiana que la aparición de la Electricidad Estática es causa de muy variados problemas donde va implícito el factor riesgo y seguridad que es el motivo de este estudio. Durante la formación de nubes de tormenta es decir cuando el aire frío se encuentra sobre el Aire Caliente y Húmedo, quiere decir que se avecina una Tormenta Eléctrica. Las corrientes de Aire ascendentes y descendentes destruyen los fragmentos de hielo que se encuentran en las nubes llamados Cúmulos, Nimbus y generan cargas Eléctricas Estáticas crecientes, formándose concentraciones positivas en la parte alta de la nube. En la parte inferior de la nube se concentran cargas negativas desarrollándose el siguiente fenómeno:

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Al presentarse estas condiciones, se forma en la tierra por Inducción una concentración de cargas Electrostáticas precisamente debajo de las nubes (Normalmente son de signo positivo) cuya intensidad dependerá de la carga almacenada en las nubes Como sabemos dos cuerpos cargados Eléctricamente con signos opuestos se Atraen en este caso: nube = Negativo, Tierra = Positivo. Cuando las cargas llegan a ser lo suficientemente grandes se produce el rompimiento del dieléctrico del aire y se produce un canal de energía conocido como Rayo Piloto que principia a descender de la nube hacia la tierra, haciendo bruscos e irregulares movimientos, este canal es de polaridad negativa. Este canal o Rayo piloto baja en forma pulsante efectuando suspensiones en su avance de 10 a 12 microsegundos se comienza a ramificar transformándose, el rayo viaja a una velocidad de 150 a 350 Kilómetros por segundo. Este rayo piloto hasta aquí viaja silencioso y casi sin luz.

Cuando se acerca a la tierra un gran campo eléctrico se establece, originando que en la tierra, en los sitios en donde la carga inductiva se concentra, parta hacia arriba un flujo eléctrico o rayo piloto secundario al encuentro del primero este canal ascendente a diferencia de descendente es positivo. Al encuentro de las trayectorias anteriores, se establece entre la nube y la tierra un canal de corriente continuo cuya distancia de choque es de aproximadamente 15 a 50 metros de la superficie terrestre, al hacer contacto estos dos grandes canales de energía de polaridad diferente, se produce una luz muy intensa llamada Relámpago y produce el trueno que siempre acompaña a este fenómeno. Este trueno es por el entallamiento del Aire a gran velocidad debido al choque de energía que generan 30 000 grados centígrados y 160 000 AMP, en este instante se producen los efectos Térmicos, Dinámicos, Acústicos, y Químicos de los Rayos. Es importante resaltar que por existir en una nube varias concentraciones de carga Electroestática, se aprovecha este canal o cause y se produce el fenómeno de descargas sucesivas. Las estadísticas muestran que al menos mas del 60% de los Rayos tienen por lo menos dos descargas sucesivas.


RIESGOS ASOCIADOS AL RAYO EFECTOS DIRECTOS Efectos luminosos : El acercamiento de la caída de un rayo sensibiliza violentamente la retina de un observador. Una impresión tal que el ojo queda durante largos segundos deslumbrado sin poder recuperar la visión. Efectos electrodinámicos : Los efectos electrodinámicos se producen cada vez que algunas partes de los conductores por dónde pasan corrientes del rayo se encuentran en un campo magnético creado por otras partes o por los conductores paralelos. Se manifiestan por esfuerzos mecánicos sustanciales, de atracción y de repulsión, aún más intensos si los conductores están cercanos y la corriente es fuerte. Efectos térmicos : estos efectos están relacionados con la cantidad de carga implicada durante la caída del rayo. Esto se traduce en la fusión más o menos importante de material en el lugar del impacto cuando se trate de materiales de gran resistividad. En los materiales que son malos conductores, se libera una gran cantidad de energía en forma de calor. La humedad contenida en estos materiales provoca entonces un aumento brusco de presión que puede provocar su estallido. Efectos debidos al cebado : La resistividad del terreno hace que las tomas de tierra tengan una cierta resistencia y puedan generar durante el paso de la corriente del rayo, una subida brusca del potencial de la toma de tierra de la instalación. También se crean unas diferencias de potencial entre ciertos elementos metálicos. De aquí el interés en procurar una buena realización de las tomas de tierra y a la unión equipotencial de las masas metálicas cercanas a las bajantes. Efectos acústicos : El trueno se debe a una brusca elevación de presión (2 a 3 atmósferas) del canal de descarga contraído por las fuerzas electrodinámicas durante la caída del rayo. El tiempo que dura el trueno depende de la longitud del canal ionizado. La propagación en frecuencias elevadas de los componentes espectrales liberados por la onda de impacto, se efectúa perpendicularmente al canal. Para las frecuencias bajas, esta propagación es omnidireccional; de ahí las diferentes formas de sonidos percibidos por un observador siguiendo la distancia y la orientación de los canales sucesivos tomados por el relámpago. EFECTOS INDIRECTOS Conducción : se trata de una sobretensión que se propaga a lo largo de un conductor que ha tenido contacto directo con el rayo. Este efecto es más destructor ya que la mayoría de la energía del rayo se propaga a lo largo de la red. Este problema se puede evitar instalando una protección que pueda soportar una corriente alta. Inducción : provocada por el campo electromagnético emitido por el rayo, genera una sobretensión sobre los conductores en un perímetro proporcional a la potencia y a la velocidad de variación del rayo. En consecuencia, bajo la influencia de variaciones bruscas de corriente, los cables e incluso las canalizaciones que se comportan como antenas pueden estar sometidas a sobretensiones destructoras. El retorno de tierra : en el momento de la caída del rayo, una sobretensión puede entrar por la tierra, lo que puede ser en parte regulado por uniones equipotenciales de las masas y de las tierras del conjunto de la instalación de una estructura.


PROTECCION CONTRA DESACARGAS ATMOSFERICAS

El principio consiste en crear uno o varios puntos de impactos preferenciales del rayo, a través de elementos conductores de baja impedancia, a fin de canalizar y disipar en el suelo la corriente del rayo. Este conjunto permite captar y conducir el rayo garantizando la protección de la estructura. Existen cinco tipos de sistemas de protección contra el rayo que permiten asegurar la protección de su estructura : - Proteccion con puntas simples (PTS) - Protección con mallas. - Protección con cables tendidos. - Proteccion con pararrayos con dispositivo de cebado (PDC) - Protección con componentes naturales. Como ya vimos básicamente la proteccion de un edificio o estructura contra Rayos se basa en proveer una vía o camino para lograr que un Rayo que inicia sobre ella circule inofensivamente hacia tierra sin que en su recorrido produzca daños terribles Una de las finalidades de un sistema de pararrayos es que debido a la concentración de cargas que logra que el pararrayos produzca un efecto Ionizador en la Atmósfera y esta Ionización en el pararrayos origina un efecto dispersor de la carga lo que disminuye el campo eléctrico y la posibilidad de un impacto de rayo también. Es importante destacar que para este efecto el sistema de puesta a tierra tiene una función primordial ya que si el diseño de la puesta a tierra del pararrayos no es la adecuada este efecto no se realizara lo mismo que la disipación sin daños por lo contrario causara daños materiales e inducciones a sistemas Eléctricos, de Comunicación, de Computo Etc. Por lo que es importante que los valores de resistividad de los disipadores o electrodos no superen los 25 Homs como lo marcan las normas. Es de suma importancia recordar que la proteccion contra descargas atmosféricas no se logra realizando un estudio con la valoracion de riesgo, niveles de impacto por kilómetro cuadrado zona de impacto etc.


PROTECCION CONTRA DESACARGAS ATMOSFERICAS

El principio de los pararrayos con dispositivo de cebado es generar artificialmente por medio de un dispositivo de ionización un trazador ascendente anticipándose a otros trazadores ascendentes generados naturalmente y, de esta manera, hacer de su punta el punto de impacto preferido. La captación del rayo se realizará más rápidamente con un PDC que con una punta simple, siendo esta tecnología beneficiosa para zonas amplias, asegurando la protección de estructuras de grandes dimensiones.

VENTAJAS - Es posible instalar un pararrayos fuera de una zona peligrosa para protegerla. -Posibilidad de proteger un conjunto de edificios con un único pararrayos. -Interesante económicamente -Posibilidad de proteger una estructura y su entorno. - Protección de zonas abiertas.


RADIOS DE PROTECCION El radio de protecci贸n generado depende del valor del avance en el cebado del pararrayos (Dt en ms), de la altura a la que se disponga y del nivel de protecci贸n necesario. Su valor m谩ximo es 120 metros (Nivel III, altura=60 metros).


Protecci贸n de un recinto industrial por medio de un pararrayos con cebado.

Ejemplo t铆pico :

PROTECCION CONTRA DESACARGAS ATMOSFERICAS


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PROTECCION EXTERNA CONTRA EL RAYO  

PROTECCION EXTERNA CONTRA EL RAYO Sistemas de parrayos PDC