Protección preventiva contra las descargas atmosféricas “rayos”

Permanentemente se forman gran cantidad de tormentas a nivel mundial. En los últimos 12 años, por ejemplo, el año 2016 fue el segundo con más rayería en Costa Rica, según información del Área de Descargas Atmosféricas del Instituto Costarricense de Electricidad (ICE).

La formación del rayo comienza en las nubes cumulunimbus, y se da por la polarización de cargas positivas y negativas dentro de la nube. Estas nubes se pueden cargar estáticamente, existen varias teorías de como esto sucede, pero todavía en la actualidad este tema es sujeto a importantes y variados estudios científicos. La parte alta de la nube adquiere un exceso de carga positiva y la parte baja de la nube adquiere un exceso de carga negativa.[rml_read_more] A medida que aumenta esta polarización, aumenta la carga estática en una nube de tormenta, y por consiguiente el campo eléctrico que rodea la nube se hace más fuerte. Normalmente, el aire que rodea una nube sería un aislante lo suficientemente bueno como para evitar una descarga de electrones a la Tierra. Sin embargo, los fuertes campos eléctricos que rodean una nube son capaces de ionizar el aire circundante y hacerlo más conductivo.
La polarización de las nubes tiene un efecto muy importante en la superficie de la Tierra. El campo eléctrico de la nube se extiende a través del espacio que lo rodea e induce el movimiento de electrones sobre la Tierra. Los electrones en la superficie externa de la Tierra son repelidos por la superficie inferior de la nube cargada negativamente. Esto crea una carga opuesta en la superficie de la Tierra. Los edificios, los árboles e incluso las personas pueden experimentar una acumulación de carga estática cuando los electrones son repelidos por el fondo de la nube. Con la nube polarizada en los opuestos y con una carga positiva inducida sobre la superficie de la Tierra, todo queda listo para la formación del rayo.

Un rayo comienza con el desarrollo de un líder escalonado descendente. Este líder descendente escalonado, es se produce cuando el exceso de electrones en el fondo de la nube comienza un viaje a través del aire conductor al suelo. Estos electrones siguen caminos en zigzag hacia el suelo, ramificándose hacia varios lugares. Las variables que afectan la dirección de ese líder descendente escalonado, no son muy claras, se cree que la presencia de impurezas o partículas de polvo en diversas partes del aire, podría crear áreas entre las nubes y la tierra más conductivas que otras.

A medida que el líder descendente escalonado crece, puede ser iluminado por el brillo violáceo que es característico de las moléculas de aire ionizado. Sin embargo, hay que tener claro que el líder descendente escalonado no es el rayo; simplemente es la carretera entre la nube y la Tierra a lo largo de la cual el rayo viajará eventualmente.

A medida que los electrones del líder escalonado descendente se aproximan a la Tierra, hay una repulsión adicional de electrones hacia abajo en la superficie de la Tierra. La cantidad de carga positiva que está en la superficie de la Tierra se hace aún mayor. Esta carga comienza a emigrar hacia arriba en el aire a través de edificios, estructuras, árboles y personas. Esta carga ascendente positiva – conocida trazador ascendente – se acerca al líder escalonado descendente en el aire sobre la superficie de la Tierra. Una vez que el contacto se hace entre trazador ascendente y el líder descendente, una ruta de conducción completa se traza y el relámpago comienza.

Cuando se da la caída de un rayo, este lleva consigo altas corrientes (mayores a 20000 A) a niveles de voltaje de millones de voltios. Si este rayo llega a impactar directamente un edificio, este puede causar daños severos.
La caída de un rayo, sin embargo, no es solo un problema cuando impacta directamente, también lo es cuando impacta en las cercanías. Debido a la alta corriente de estos fenómenos, cuando impactan producen un gran campo electromagnético, este induce grandes voltajes y corrientes en las líneas de la compañía eléctrica (Ley de Faraday: E = di/dt).

En resumen los rayos pueden producir grandes problemas por:

• Impacto directo en las líneas de distribución de potencia de la compañía eléctrica
• Por inducción magnética cuando un rayo cae a tierra cerca de líneas de distribución de potencia, y/o por acomplamiento capacitivo entre líneas
• Por inducción magnética cuando se producen rayos entre nubes cerca de una línea de distribución de potencia
• Por un impacto directo en el edificio o en el transformador principal y/o acometida principal eléctrica

Para la protección contra caída directa de rayos, los dispositivos que se utilizan son los pararrayos.

Un pararrayos es un dispositivo que tiene la finalidad de ofrecer al rayo un camino hacia tierra de menor resistencia que si atravesara la estructura del edificio, esto se conoce como la teoría de diversión. La teoría de la diversión del rayo indica que un pararrayos protege al edificio proporcionando una vía conductora segura del rayo a tierra. Un pararrayos está típicamente unido por un cable de cobre grueso a una varilla de tierra que se entierra abajo en la tierra. La descarga repentina de la nube será atraída hacia el pararrayos, y será descargado de forma segura a tierra, evitando así que se produzcan daños en el edificio. El sistema compuesto por el pararrayos, el cable bajante, y la varilla de tierra proporcionan un camino de baja resistencia desde la parte alta del edificio hasta la tierra en la parte inferior.

Los pararrayos utilizan el efecto corona, causado por la ionización del aire circundante alrededor del pararrayos, y existen dos tipos fundamentales que están cubiertos bajo normas internacionales:

Pararrayos tipo franklin

Conocidos como puntas captoras simples, consisten en una barra metálica, que puede ser de bronce, cobre o acero inoxidable, y que en la parte superior la punta es usualmente afilada.
La punta es afilada, debido a que en los conductores metálicos que terminan en punta acumulan mucha carga. En la región de la punta del pararrayos franklin, el campo eléctrico producido por inducción, generada por la nube cargada, está mucho más concentrado y es muy denso.

Cuando el líder descendente desde la nube se aproxima al suelo, la ionización del aire circundante a la punta aumenta. Esto se conoce como efecto corona y se da cuando las moléculas que componen el aire se ionizan, y son capaces de conducir la corriente eléctrica y parte de los iones que circulan por la punta pasan a circular por el aire, de modo que las partículas de aire cargadas positivamente son repelidas por el pararrayos y atraídas por la nube.
A partir de que se da el efecto corona, también comienza a circular corriente a través del pararrayos y se produce una luminiscencia visible en el extremo del pararrayos. Ésta corriente que fluye por el pararrayos está formada por los electrones que son extraídos del aire ionizado. En el momento en que avanza el líder descendente, la inducción aumenta, aumenta el campo, y también se incrementa la corriente que circula por el pararrayos franklin.
Dependiendo de la corriente y de la velocidad del líder escalonado descendiente, se forma el trazador ascendente que se detalló anteriormente, hacia la nube atraído por el trazador descendente.

De esta forma el pararrayos realiza un doble objetivo:

• 1. Se produce una compensación del potencial eléctrico al ser atraídos esos iones del aire por parte de la nube, neutralizando en parte la carga. De esta forma se reduce el potencial nube-tierra, y de cierta forma se previene la formación del rayo.
• 2. Conduce el rayo a tierra ofreciéndole un camino de menor resistencia

Pararrayos con Dispositivo de Cebado (PDC)

El principio de operación de los pararrayos PDC, es el mismo que los pararrayos tipo Franklin. La diferencia tecnológica de estos equipos está en el sistema electrónico, que aprovecha la influencia eléctrica del aumento de potencial entre la nube y la tierra para autoalimentar el dispositivo de cebado. Los PDC inician el trazador ascendente más temprano que una punta franklkin, con lo que aumentan la probabilidad de capturar el líder descendente.

El objetivo del pararrayos con dispositivo de cebado es favorecer las condiciones necesarias para la formación rápida de un trazador ascendente.

Entre más rápido se inicia el trazador ascendente en dirección hacia la nube, más rápido se colocará cerca al líder descendente, y por consiguiente mayor será la posibilidad de unirse y crear un canal conductor, evitando que este canal se forme con un trazador ascendente natural de un edificio, estructura u otra edificación que se quiera proteger, y proporcionando un camino seguro de descarga para la corriente del rayo a tierra.

Los PDC logran alcanzar una mayor altura de unión entre el líder descendente y el trazador ascendente, aumentando así el área de cobertura y facilitando la protección de grandes áreas con costos de instalación más bajos.

Consideraciones finales:

• Los pararayos tipo franklin están normados bajo el estándar NFPA 780
• Los pararayos con dispositivo de cebado PDC, están normados bajo los estándares NF C-17-102-2011, UNE UNE 21.186:2011
• Los pararrayos son dispositivos de protección para edificios y estructuras, para protección complementaria de equipos electrónicos sensibles, se requiere la instalación de sistemas de protección contra transientes, que son eventos que pueden ser generados directa e indirectamente por los rayos
• Para diseñar una protección apropiada contra rayos se requiere conocer las dimensiones completas del edificio, las condiciones del terreno dónde se ubica y las condiciones de instalación y operación del edificio.