31/01/2013

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Se dice que un rayo, a la descarga eléctrica entre una nube y la tierra, mientras

que se denomina relámpago a la descarga producida en el interior de la nube.

Ambos se originan en los cumulonimbos que están en la zona intermedia de la

troposfera, y tal como hemos visto se originan por la distribución de carga en la nube llegando

a elevados valores de potencial eléctrico. Pese a que los rayos se originan normalmente

desde las nubes y llega a la tierra, en ocasiones, la distribución de cargas es tal que el rayo se

origina desde la tierra y llega a la nube.

Podemos distinguir los siguientes tipos de fenómenos eléctricos atmosféricos:

a. Rayo intra nube: es el tipo más común de descarga. Ocurre entre centros de

carga opuestos dentro de la misma nube de tormenta. b. Rayo entre nubes: ocurre entre centros de carga en dos diferentes nubes con

la descarga recorriendo el espacio de aire que hay entre ellas, que puede llegar a de 20 Km. c. Rayo nube - tierra: es el más dañino y peligroso aunque, por fortuna, no es el

más común. La mayoría se originan cerca del centro de carga negativo de la

nube de tormenta y liberan carga negativa hacia la tierra. Será en este tipo en el

que nos centremos.

Existen otros fenómenos eléctricos tales como las descargas de efecto

corona, comúnmente conocidas como "fuegos de San Telmo", pero tienen mucha menor intensidad.

Entérate:

Los cumulonimbos son nubes de gran desarrollo vertical, internamente formadas

por una columna de aire cálido y húmedo que se eleva en forma de espiral rotario, con un sentido anti horario en el hemisferio norte y horario en el

hemisferio sur.

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¡Cuidado te parte un rayo!

El rayo suele seguir un

camino sinuoso hasta llegar al suelo, buscando siempre la

mínima resistencia. El vapor de

agua en la atmósfera viene

entonces a facilitar el tránsito de

la descarga.

En su camino, el rayo calienta el aire a temperaturas

cercanas a los 30.000 ºC (algo

más que la temperatura de la

superficie del Sol), haciéndole

estallar produciendo el sonido que

conocemos como “trueno”.

Cuando el potencial eléctrico

entre nube y tierra alcanza un cierto valor, de alrededor de

10.000 V, el aire deja de comportarse como aislante y

comienza a hacerlo como conductor, siendo entonces

atravesado, durante una fracción

de segundo, por una enorme

descarga eléctrica de unos 20.000

A y que en ocasiones puede alcanzar valores de hasta 200.000

A.

Realmente, cada rayo está

compuesto por una secuencia de entre 2 y 5 descargas individuales

con una duración de 20 a 50

mseg. La energía media por cada

descarga es de uno 3.000 J

(equivalente a una explosión de

un kilo de dinamita).

La enorme cantidad de energía que

libera un rayo hace que los mayores efectos del rayo sean los incendios y

electrocuciones debidos a impactos directos.

La probabilidad de destrucción

debida a un rayo es una combinación de

la localización geográfica, la estructura

geológica del suelo y la situación

topográfica.

Así, los sistemas los equipos

localizados en alta montaña tienen mayor

probabilidad de sufrir daños por rayos

que aquellos situados en los valles.

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Las condiciones eléctricas del terreno resultan

fundamentales. En aquellas zonas en las que la conductividad de la tierra es mala, por ejemplo en

montaña, la corriente del rayo puede seguir los cursos del

agua, los rieles del ferrocarril y los cables eléctricos.

Entre las instalaciones de mayor riesgos están los

repetidores de TV y radio, así como los ferrocarriles de

montaña y teleféricos, ya que a menudo sus cables y

rieles proporcionan el mejor camino de conducción entre

el pico de una montaña (poco conductora) hasta el suelo

del valle (mejor conductor).

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Dado que la conductividad del suelo tiene valores finitos, la corriente de descarga se distribuye por debajo del suelo en todas las direcciones, con zonas de alta conductividad que toman la mayor parte de la corriente y las transporta a largas distancias hasta que se establece un equilibrio de potenciales. Este efecto reduce las sobretensiones ya que a mayor

conductividad, menor sobretensión se produce en el suelo

aunque mayor es la distancia a la que son evidentes sus

efectos electromagnéticos.

Así, se puede decir que los efectos de los rayos son, principalmente:

a. La caída directa de un rayo puede producir en

nuestro sistema incendios, y electrocuciones si no se cuenta con las oportunas protecciones.

b. La caída de un rayo directo sobre una línea de

energía o de comunicaciones crea una onda de

corriente que se propaga por el cable en ambas direcciones.

c. Un rayo sobre el terreno provoca una elevación

enorme del potencial de tierra en una zona de algunos

kilómetros, induciendo sobretensiones importantes en

los cables subterráneos y provocando la elevación de

la tensión de las conexiones a tierra.

d. Un rayo que cae en un pararrayos aumenta el

potencial de tierra cuando dirige su corriente a tierra.

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Hacia la mitad del siglo XVIII Benjamín Franklin demostró por primera vez la naturaleza eléctrica del rayo. Elevando una cometa en medio de una tormenta eléctrica y conduciendo una descarga hasta un condensador (botella de Leyden), demostró que había almacenado algo que presentaba el mismo comportamiento que las cargas eléctricas (que se generaban en esa época por fricción).

Simultáneamente en otros lugares del mundo se realizaban investigaciones similares como la del científico ruso Giorgi W. Richman, quien pereció electrocutado en una de sus pruebas. Más tarde, el mismo B. Franklin inventaría el pararrayos, para defender las edificaciones y personas de los efectos del rayo. Cuando a principios del siglo XX, aparecieron las primeras líneas de transmisión, volvió el rayo a causar problemas que representaban grandes perjuicios al transporte de energía eléctrica; desde entonces comienzan proyectos de investigación de gran magnitud. En 1905 se reportan ya estudios fotográficos de descargas atmosféricas realizadas con una cámara móvil. Vienen luego proyectos donde se miden gradientes causados por la carga de las nubes, se utilizan el klidonógrafo, el oscilógrafo y muchos otros medios para un estudio detallado de la descarga atmosférica y su efecto en los sistemas de potencia eléctrica.

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Es importante conocer los posibles impactos que puede ocasionar un rayo aquí mencionamos los más destacados: 1.- Impacto directo Si el rayo alcanza directamente el edificio, todos los elementos conductores se encuentran en cuestión de microsegundos sometidos a un potencial muy elevado. Una corriente igualatoria altamente destructiva fluye desde las partes conectadas a tierra de los equipos hasta el sistema de alimentación de la red de datos o de bajo voltaje. Al mismo tiempo, pueden inducirse altos voltajes en los bucles de conductores incluso no conectados a la conexión equipotencial. 2.- Impacto lejano Incluso si el propio edificio no ha sido alcanzado, existe el efecto del rayo que, con sus ondas transitorias y sus amplitudes de alto voltaje, se propagan a lo largo de la línea de alimentación casi con la velocidad de la luz, poniendo en peligro cualquier sistema electrónico. Puede ocurrir que incluso antes de que se oiga el trueno ya pueden estar dañados los sistemas de procesos de datos, los ordenadores, sistemas de medición, control y regulación, los televisores, cadenas HIFI, etc. 3.- Rayos entre nubes Si se ha alegrado de ver que el rayo no alcanzaba la tierra sino que rebotaba de nube a nube se ha alegrado demasiado pronto porque los rayos de nube a nube descargan sobre la tierra cargas de reflexión y generan a la velocidad de la luz unas ondas transitorias sobre las redes eléctricas y las líneas de datos, siendo el resultado el mismo del apartado anterior. 4.- Operaciones de conmutación Cuando una instalación se avería sin que la haya alcanzado ningún rayo, puede haber sido por otra causa. Operaciones de encendido y apagado de la compañía eléctrica suministradora, conmutación de cargas inductivas o capacitivas, así como contactos a tierra accidentales o cortocircuitos en la red de alimentación eléctrica pueden generar picos de corriente.

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Los rayos son señales eléctricas de alta frecuencia, gran potencial y alta corriente, por ello, son causa de interferencias en sistemas electrónicos. Por ello, para dirigir a tierra las

descargas atmosféricas se requiere de las técnicas para señales en altas frecuencias. A la frecuencia debida a la descarga del rayo, la impedancia de un cable de cobre usado en las puestas a tierra (de unos 1.64 uH/m) presenta un carácter predominantemente inductivo. En conductores de más de 10 metros la impedancia que representan es muy elevada, lo cual impide la conducción de la corriente. Como los rayos se reflejan como cualquier onda de alta frecuencia, es básico que la impedancia a tierra sea baja para la descarga, ya que todas las partes del sistema conectadas a tierra, elevarán y bajarán su potencial con respecto de tierra al

tiempo de la descarga. Efectos producidos por la caída directa de un rayo Los efectos directos de un rayo son la destrucción física causada por el impacto de los que pueden resultar incendios. Cuando un impacto directo golpea una instalación donde hay materiales combustibles, pueden estar expuestos al rayo, al canal del rayo o al efecto de calentamiento del rayo, produciéndose importantes incendios.

Cuando cae un rayo en una instalación siempre buscará el camino a tierra de más baja impedancia y por él circulará hasta tierra. Si el conductor tiene algún equipo eléctrico conectado a otro equipo y es atravesado por esa corriente, muy probablemente será destruido. Si bien la caída directa del rayo es la más devastadora, también es la más improbable.

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Efectos secundarios producidos por la caída de un rayo La carga electrostática La célula de tormenta induce una carga estática en cualquier estructura inmersa en la tormenta. Esta carga estática estará relacionada con la carga de la célula de la tormenta. Por esto se inducirá una diferencia de potencial en la estructura o conductor respecto a tierra que será un posible causante de interferencias.

Como consecuencia de la carga electrostática se producen los arcos secundarios que es una de las interferencias más frecuentes. Los pulsos electromagnéticos Los pulsos electromagnéticos, son el resultado de los campos electromagnéticos transitorios que se forman por el flujo de corriente, a través del canal de descarga del rayo. Después de que se establece el canal de descarga del rayo entre la nube y la

tierra, llega a formarse un camino tan conductivo como un conductor eléctrico. La corriente de neutralización comienza a fluir rápidamente y produce un campo magnético en relación a la misma. Ya que estas corrientes de descarga crecen rápidamente y alcanzan corrientes pico de cientos de miles de amperios, los pulsos magnéticos que ellos crean pueden ser muy significativos. Los pulsos electrostáticos Los transitorios atmosféricos o pulsos electrostáticos, son el resultado directo de la variación del campo electrostático que

acompaña a una tormenta eléctrica. Cualquier conductor suspendido sobre la superficie de la tierra, está inmerso dentro de un campo electrostático y será cargado con un potencial en relación a su altura, sobre la superficie de la tierra. Por ejemplo, una línea de distribución o telefónica aérea, a una altura promedio de 10 metros sobre la tierra, en un campo electrostático medio, durante una tormenta eléctrica, se cargará con un potencial de entre 100 kV y 300 kV con respecto a la

tierra.

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Las corrientes de tierra La corriente transitoria de tierra es el resultado directo del proceso de neutralización que sigue a un impacto de rayo. El proceso de neutralización, es consumado por el movimiento de la carga a lo largo o cerca de la superficie de la tierra, desde el punto donde se induce la carga, hasta el punto donde termina el rayo. Cualquier conductor enterrado o cercano a esa carga, proveerá un camino más conductivo

desde el punto donde se inicia, al punto donde termina el rayo. Esto induce un voltaje en relación con la carga, que se maneja en esos conductores, lo cual otra vez está relacionado con la cercanía a donde el rayo impactó. A este voltaje inducido se le llama "corriente transitoria de tierra" y aparece en alambres conductores, tuberías y otras formas de conductores. Aunque el proceso de descarga es muy rápido (20 microsegundos) y la relación de crecimiento al pico es tan pequeña como 50 nanosegundos, el voltaje inducido será muy alto.

La terminación de un rayo de retorno en la tierra puede causar los efectos siguientes: Puede causar arqueos a través de la tierra a tuberías de

gas adyacentes, cables o sistemas de tierra.

La corriente de sobrecarga, puede correr por la tierra

paralelo al sistema de tierras electrónico existente, lo cual originará una distribución de elevación de potencial de tierra no uniforme en el sistema de tierra.

El sobrevoltaje transitorio. Se produce como consecuencia de los anteriores y pueden causar graves daños en los equipos o sistemas si no están convenientemente protegidos. La carga electrostática

(y consecuentes arcos secundarios) es lo más común.

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Como ejemplo tenemos la carga electrostática y los pulsos electromagnéticos que inducen altos voltajes

transitorios en cualquiera de los conductores eléctricos que se encuentren dentro del área de influencia de esos

transitorios. Estos transitorios causarán arqueos entre alambres o cables conductores y entre tuberías y tierra. Los

arcos o chispas de corriente electrostática en un punto vulnerable, pueden iniciar incendios o explosiones.

Además estos sobrevoltajes pueden llegar por los

conductores hacia los equipos o sistemas que estén dentro

del área de influencia causando fallos y averías en los mismos si estos no están protegidos contra las

sobretensiones.

Sabias que? Se estima que en nuestro planeta existen simultáneamente unas 2000 tormentas y que cerca de 100 rayos descargan sobre la Tierra cada segundo. En total ello representa unas 4000 tormentas diarias y unos 9 millones de descargas atmosféricas cada día y llega a alcanzar longitudes de unos 3 km., una potencia de 20 billones de vatios y una temperatura de 30.000 ºC.

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Es importante tener en cuenta que para poder derivar sin dificultades la gran energía de un rayo es preciso responder a altas exigencias en cuanto a las instalaciones eléctricas de edificios, facilitando una derivación segura del rayo al subsuelo.

Por este motivo se disponen en los edificios instalaciones de protección. La protección contra rayos es tan compleja que va más allá de la simple instalación de un pararrayos o de un circuito de protección. Hasta hace relativamente poco tiempo, poco se podía hacer para minimizar los riesgos que se producían por la caída directa de un rayo. Cuando ocurrían y donde ocurrirán descargas eléctricas atmosféricas. Tradicionalmente, la protección contra rayos ha pretendido atraer y desviar la energía de una descarga eléctrica atmosférica hacia la tierra física. Al mismo tiempo que esto puede eliminar algunos de los graves efectos de un impacto directo, resultan otras desventajas y serios inconvenientes. Ninguno de los sistemas tradicionales son 100% efectivos, y todos ellos son afectados por los efectos secundarios en relación a la proximidad con los campos electrostáticos y campos electromagnéticos. Todos ellos son peligrosos, especialmente, en áreas donde se manejan productos inflamables o explosivos y equipos electrónicos. Se puede establecer una clasificación de tres niveles de

protección contra los efectos de los rayos tanto efectos directos como secundarios: Protección primaria: El nivel primario está constituido por los

sistemas de pararrayos, terminales aéreos, estructuras metálicas, blindajes y tomas de tierra. Protección secundaria: Este nivel de protección es el

necesario a nivel de la alimentación del equipo o sistema.

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La protección secundaria de los equipos o sistemas se encarga de la protección a nivel de la alimentación, por tanto se encarga de limitar las tensiones y corrientes. Su misión consiste en reducir los efectos eléctricos y magnéticos que la corriente de descarga de los rayos pueda producir de forma

indirecta en los equipos electrónicos y sistemas de comunicaciones. No son tan obvios como los efectos directos, pero pueden producir efectos muy perjudiciales si no se han tenido en cuenta las debidas protecciones. La técnica de absorción de sobretensiones se ocupa de las posibilidades de reducir éstas a valores que no sean peligrosos para el equipo electrónico o instalación eléctrica. Los limitadores de sobretensión se instalan donde se espera que pueda llegar un

impulso perturbador de sobretensión. De este modo, a la salida del limitador se tiene una tensión máxima que no interfiere el circuito situado a continuación. Así, los limitadores dispuestos en circuitos protectores a nivel secundario y terciario limitan las sobretensiones y pueden utilizarse como dianas para

ser perforados en casos extremos.

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Nany’s 1 Esencialmente los descargadores se dividen en dos grupos:

Descargadores de corriente de rayo: capaces de conducir sin destruirse corrientes parciales de rayo. Se emplean en los puntos de intersección entre las zonas de protección 0 y 1.

Descargadores de sobretensión: para descargar las

perturbaciones causadas por el rayo y condicionadas por los cables (a instalar en los puntos de intersección entre las zonas de protección 0 y 1 así como entre 1 y superiores).

Protección terciaria: Este es a nivel de líneas de datos y

transmisión, tarjetas de circuito impreso y componentes electrónicos, también se le denomina protección fina.

Las protecciones secundarias y terciarias se disponen a

nivel de equipo o sistema y a nivel de tarjeta o componente respectivamente, la frontera entre los dos niveles de protección es complicado definirla. En una protección secundaria el limitador está expuesto al más alto nivel de intensidad de transitorios inducidos. Se puede considerar que el nivel secundario va desde los primeros descargadores de alta energía después del pararrayos hasta las últimas protecciones en la alimentación de corriente continua a baja tensión. La protección terciaria es la aplicada a las líneas de

datos, entrada/salida, comunicaciones internas en un equipo electrónico. También se suele llamar a este nivel de protección nivel de protección fina. Los circuitos de protección conviene montarlos lo más cerca que se pueda de la unidad a proteger, para evitar otras tensiones perturbadoras entre el circuito de protección y la unidad a proteger.

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Este dispositivo esta protegido dentro de un blindaje metálico, cuya función principal es protegerlo contra inclemencias climáticas como ser agua, polvo, rayos UV, interferencias electromagnéticas (al cumplir el principio de inducción electromagnética de Michael Faraday o comúnmente llamada “Ley de Faraday”), etc. Posee un visor del tipo mecánico donde figuran la cantidad de impactos relevados, una entrada superior para la conexión y una salida inferior para la puesta a tierra.

Son incontables las herramientas que se han utilizado para medir las corrientes y voltajes de los rayos, desde el usado oscilógrafo, la cámara de Boys, los medidores de corriente de cresta (magnetic links), hasta los sofisticados equipos utilizados por el proyecto francés del Massif Central de producción y medición de rayos “artificiales”. Allí se emplean magnetic links, registradores de campo eléctrico y magnético cada uno con varios osciloscopios y equipo fotográfico relámpagos; medidores del campo de tierra (field mills and radioactive probe electrometer) y equipo fotográfico y acústico.

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Antes de la tormenta:

Identificar la presencia de una tormenta eléctrica. La identificación puede realizarse de dos maneras:

Mediante la observación del estado atmosférico y con el apoyo de dispositivos de detección. Las condiciones a observar son las siguientes:

- Proximidad de nubes oscuras, imponentes o amenazadoras;

- Rayos y truenos distantes; y

- Ráfagas de viento

Durante la tormenta: Si se encuentra en interiores:

- Evitar salir al exterior y alejarse de puertas y ventanas. Cerrar ventanas, cortinas y

persianas. - Evitar la utilización de equipo eléctrico o teléfono alámbrico. - Evitar caminar sobre suelos húmedos o con calzado mojado.

- Evitar el contacto con todo objeto metálico, aparatos eléctricos, marcos de ventanas, incluyendo tuberías metálicas.

Si se encuentra en exteriores:

- Evitar correr para escapar de la tormenta. Hacerlo rápido, pero con calma. - Buscar refugio si es posible, al interior del edificio más cercano. Evitar refugiarse debajo

de una torre metálica. - Evitar estar cerca de estructuras como torres, árboles, cercas metálicas, líneas telefónicas o cables de alta tensión u objetos metálicos.

- Evitar utilizar herramientas y objetos metálicos (paraguas, palos de golf, herramientas, etc.).

Después de la tormenta

- Realizar una revisión de la(s) estructura(s) o instalación(es) al terminar la tormenta para buscar los posibles daños provocados por esta.

- Reportar la caída de cables de servicio público. - Inspeccionare el sistema de pararrayos para detectar y ordenar a la brevedad posible, la

reparación de los daños que se hubieren generado. - Revisar todos los equipos eléctricos y electrónicos, programar la reparación de aquellos

que resulten dañados.

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Una revista para conocer algo más...