En esta ocasión como había prometido en el post anterior voy a hablar de los pararrayos o sistemas de Puesta a Tierra de Protección Atmosférica.
¿Que son las descargas atmosféricas?
La descarga atmosférica conocida como rayo, es la igualación violenta de cargas de un campo eléctrico que se ha creado entre una nube y la tierra o, entre nubes.
Los rayos que nos interesan por su efecto, son los de nube a tierra, y en éstos se pueden encontrar 4 tipos: 2 iniciados en las nubes, y 2 iniciados en 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.
Los rayos que inician en tierra son relativamente raros y ocurren normalmente en montañas o en estructuras altas.
Los rayos iniciados en las nubes negativas, normalmente aparecen en nubes de tormenta del tipo cumulonimbus convectivas que usualmente miden de 3 a más de 50 km de largo, y son consecuencia de un rompimiento dieléctrico atmosférico.
Este rompimiento una vez iniciado, avanza en zigzag a razón de unos 50 metros por microsegundo con descansos de 50 microsegundos.
Una vez que el rompimiento creó una columna de plasma en el aire, la descarga eléctrica surgirá inmediatamente dentro de un hemisferio de unos 50 m de radio del punto de potencial más alto. Y, cualquier objeto puede ser el foco de esta descarga hacia arriba de partículas positivas, aún desde una parte metálica debajo de una torre.
Los rayos consisten usualmente de descargas múltiples, con intervalos entre descargas de decenas a centenas de milisegundos. La primera descarga es la que tiene mayor amplitud, mientras que las subsecuentes tienen tiempos de ataque más rápidos, aunque la velocidad de las descargas se ha encontrado que depende del lugar geográfico. La primera descarga está entre 6 y 15 x 10E7 m/s y la segunda entre 11 y 13 x 10E7 m/s.
Las descargas atmosféricas pueden causar grandes diferencias de potencial en sistemas eléctricos distribuidos fuera de edificios o de estructuras protegidas. A consecuencia de ello, pueden circular grandes corrientes en las canalizaciones metálicas, y entre conductores que conectan dos zonas aisladas. Pero, aún sin la descarga, una nube cargada electrostáticamente crea diferencias de potencial en la tierra directamente debajo de ella.
El campo eléctrico debajo de una nube de tormenta es generalmente considerado entre 10 y 30 kV/m. Es importante, comparar estos valores con el de 1.5 kV/m con el que las puntas empiezan a emitir iones.
Una nube de tormenta promedio podría contener unos 140 MWh de energía con voltajes hasta de 100 MV, con una carga en movimiento intranube de unos 40 Coulombs. Esta energía es la que se disipa mediante los rayos, con corrientes pico que van de unos cuantos kiloamperes a unos 200 kA con un percentil (50) de 20 kA.
Los rayos de una nube positiva hacia tierra contienen más carga que sus contrapartes negativos, por lo que son muy estudiados. En general no exhiben el mismo comportamiento de pasos de los negativos, y suceden más frecuentemente en tormentas invernales con nieve y en latitudes altas.
Algunas particularidades aumentan la probabilidad de la caída de rayos en un lugar. Por ejemplo, la frecuencia de descargas en un lugar es proporcional al cuadrado de la altura sobre el terreno circundante. Esto hace que las estructuras aisladas sean particularmente vulnerables. Además, las puntas agudas incrementan también la probabilidad de una descarga.
SISTEMAS DE PARARRAYOS
La protección de estructuras es más tolerante que una protección electrónica. Así, un edificio puede tolerar hasta 100,000 V mientras que componentes electrónicos a 24 V se dañarán con voltajes sostenidos de 48 volts!
Los rayos ocurren con diferentes intensidades y un sistema que proteja contra su efecto deberá ser diseñado tomando en cuenta los rayos promedio o mayores del área en cuestión. Las descargas no pueden ser detenidas, pero la energía puede ser desviada en una forma controlada. El intentar proteger contra descargas directas puede ser excesivamente caro.
Un sistema de protección contra descargas, llamado de pararrayos, debe:
Capturar el rayo en el punto diseñado para tal propósito llamado terminal aérea.
Conducir la energía de la descarga a tierra, mediante un sistema de cables conductores que transfiere la energía de la descarga mediante trayectorias de baja impedancia, y;
Disipar la energía en un sistema de terminales (electrodos) en tierra.
Los rayos son señales eléctricas de alta frecuencia, gran potencial y alta corriente, por ello son causa de interferencia en sistemas electrónicos. Son de alta frecuencia por la elevada razón de cambio de la señal, de aproximadamente 1 us. Por ello, para dirigir a tierra las descargas atmosféricas se utilizan las técnicas para señales en altas frecuencias.
PROTECCIÓN DE ESTRUCTURAS Y EDIFICIOS
PROTECCIÓN DE TORRES DE COMUNICACIÓN
Se ha visto que las torres metálicas de comunicaciones incrementan sustancialmente la densidad de descargas en el lugar donde son instaladas. La probabilidad se incrementa aproximadamente con el cuadrado de la altura de la torre
Variaciones considerables existen en la forma de cómo proteger una torre. Una manera es colocar una punta pararrayos en la cima de la torre y de ahí un conductor de cobre por toda la longitud de la torre. Sin embargo, por estar el cobre y el acero en contacto, se corroe el acero - 0.38 Volts de la celda galvánica - y, la inductancia del cable tan largo crea una trayectoria de tan alta impedancia que no es efectivo como circuito a tierra. Por lo que se recomienda usar la estructura con una punta electrodo en su parte superior con conectores adecuados para su conexión al acero estructural.
PROTECCIÓN DE TANQUES
Ciertos tanques están autoprotegidos contra rayos. Por ejemplo, un tanque que es eléctricamente continuo y de por lo menos 3/16" de grueso no puede ser dañado por las descargas directas. Pero, el tanque debe estar sellado contra el escape de vapores que puedan incendiarse.
PROTECCIÓN DE ÁRBOLES.
Los árboles que crecen aislados o que tienen una altura tal que sobrepasan cualquier estructura, son un blanco de las descargas atmosféricas. Por ello, para esos casos se recomienda protegerlos como si fuesen una estructura.
PROTECCIÓN DE LÍNEAS AÉREAS DE ENERGÍA ELÉCTRICA
La protección contra descargas atmosféricas de líneas aéreas de energía eléctrica se logra colocando un hilo puesto a tierra sobre ellas, llamado hilo de guarda y, mediante apartarrayos. El ángulo de protección obtenido al colocar un hilo de guarda es de 30 grados siempre y cuando el hilo se conecte a una tierra de baja resistencia (25 ohms o menos). Hay que notar que esta protección no protege a los equipos.
Los árboles altos y cerca de las líneas protegen las líneas de transmisión contra descargas atmosféricas. En el oeste de los EU y Canadá con derechos de vía en lugares boscosos, las líneas a veces no llevan hilo de guarda y con los árboles son protegidas.
PROTECCIÓN DE SUBESTACIONES ELÉCTRICAS
Las subestaciones de potencia son protegidas por puntas pararrayos colocadas sobre las estructuras, y por los hilos de guarda de las líneas que rematan en la subestación. Los hilos de guarda están conectados directamente a la malla de tierra de la subestación.
En el caso de las estructuras metálicas tipo rejilla (lattice), la mismas estructuras forman una jaula de Faraday de protección.
REDES DE MONITOREO ATMOSFÉRICO
Para cualquier análisis de ingeniería se requiere del número de descargas por unidad de tiempo y unidad de área, o la densidad de descargas (GFD por las siglas en inglés de Ground Flash Density) regional expresada normalmente como un promedio anual. Este parámetro se puede obtener localmente utilizando contadores de descargas o cualquiera de las versiones de los sistemas de localización de rayos comerciales.
¿Que son las descargas atmosféricas?
La descarga atmosférica conocida como rayo, es la igualación violenta de cargas de un campo eléctrico que se ha creado entre una nube y la tierra o, entre nubes.
Los rayos que nos interesan por su efecto, son los de nube a tierra, y en éstos se pueden encontrar 4 tipos: 2 iniciados en las nubes, y 2 iniciados en 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.
Los rayos que inician en tierra son relativamente raros y ocurren normalmente en montañas o en estructuras altas.
Los rayos iniciados en las nubes negativas, normalmente aparecen en nubes de tormenta del tipo cumulonimbus convectivas que usualmente miden de 3 a más de 50 km de largo, y son consecuencia de un rompimiento dieléctrico atmosférico.
Este rompimiento una vez iniciado, avanza en zigzag a razón de unos 50 metros por microsegundo con descansos de 50 microsegundos.
Una vez que el rompimiento creó una columna de plasma en el aire, la descarga eléctrica surgirá inmediatamente dentro de un hemisferio de unos 50 m de radio del punto de potencial más alto. Y, cualquier objeto puede ser el foco de esta descarga hacia arriba de partículas positivas, aún desde una parte metálica debajo de una torre.
Los rayos consisten usualmente de descargas múltiples, con intervalos entre descargas de decenas a centenas de milisegundos. La primera descarga es la que tiene mayor amplitud, mientras que las subsecuentes tienen tiempos de ataque más rápidos, aunque la velocidad de las descargas se ha encontrado que depende del lugar geográfico. La primera descarga está entre 6 y 15 x 10E7 m/s y la segunda entre 11 y 13 x 10E7 m/s.
Las descargas atmosféricas pueden causar grandes diferencias de potencial en sistemas eléctricos distribuidos fuera de edificios o de estructuras protegidas. A consecuencia de ello, pueden circular grandes corrientes en las canalizaciones metálicas, y entre conductores que conectan dos zonas aisladas. Pero, aún sin la descarga, una nube cargada electrostáticamente crea diferencias de potencial en la tierra directamente debajo de ella.
El campo eléctrico debajo de una nube de tormenta es generalmente considerado entre 10 y 30 kV/m. Es importante, comparar estos valores con el de 1.5 kV/m con el que las puntas empiezan a emitir iones.
Una nube de tormenta promedio podría contener unos 140 MWh de energía con voltajes hasta de 100 MV, con una carga en movimiento intranube de unos 40 Coulombs. Esta energía es la que se disipa mediante los rayos, con corrientes pico que van de unos cuantos kiloamperes a unos 200 kA con un percentil (50) de 20 kA.
Los rayos de una nube positiva hacia tierra contienen más carga que sus contrapartes negativos, por lo que son muy estudiados. En general no exhiben el mismo comportamiento de pasos de los negativos, y suceden más frecuentemente en tormentas invernales con nieve y en latitudes altas.
Algunas particularidades aumentan la probabilidad de la caída de rayos en un lugar. Por ejemplo, la frecuencia de descargas en un lugar es proporcional al cuadrado de la altura sobre el terreno circundante. Esto hace que las estructuras aisladas sean particularmente vulnerables. Además, las puntas agudas incrementan también la probabilidad de una descarga.
SISTEMAS DE PARARRAYOS
La protección de estructuras es más tolerante que una protección electrónica. Así, un edificio puede tolerar hasta 100,000 V mientras que componentes electrónicos a 24 V se dañarán con voltajes sostenidos de 48 volts!
Los rayos ocurren con diferentes intensidades y un sistema que proteja contra su efecto deberá ser diseñado tomando en cuenta los rayos promedio o mayores del área en cuestión. Las descargas no pueden ser detenidas, pero la energía puede ser desviada en una forma controlada. El intentar proteger contra descargas directas puede ser excesivamente caro.
Un sistema de protección contra descargas, llamado de pararrayos, debe:
Capturar el rayo en el punto diseñado para tal propósito llamado terminal aérea.
Conducir la energía de la descarga a tierra, mediante un sistema de cables conductores que transfiere la energía de la descarga mediante trayectorias de baja impedancia, y;
Disipar la energía en un sistema de terminales (electrodos) en tierra.
Los rayos son señales eléctricas de alta frecuencia, gran potencial y alta corriente, por ello son causa de interferencia en sistemas electrónicos. Son de alta frecuencia por la elevada razón de cambio de la señal, de aproximadamente 1 us. Por ello, para dirigir a tierra las descargas atmosféricas se utilizan las técnicas para señales en altas frecuencias.
PROTECCIÓN DE ESTRUCTURAS Y EDIFICIOS
PROTECCIÓN DE TORRES DE COMUNICACIÓN
Se ha visto que las torres metálicas de comunicaciones incrementan sustancialmente la densidad de descargas en el lugar donde son instaladas. La probabilidad se incrementa aproximadamente con el cuadrado de la altura de la torre
Variaciones considerables existen en la forma de cómo proteger una torre. Una manera es colocar una punta pararrayos en la cima de la torre y de ahí un conductor de cobre por toda la longitud de la torre. Sin embargo, por estar el cobre y el acero en contacto, se corroe el acero - 0.38 Volts de la celda galvánica - y, la inductancia del cable tan largo crea una trayectoria de tan alta impedancia que no es efectivo como circuito a tierra. Por lo que se recomienda usar la estructura con una punta electrodo en su parte superior con conectores adecuados para su conexión al acero estructural.
PROTECCIÓN DE TANQUES
Ciertos tanques están autoprotegidos contra rayos. Por ejemplo, un tanque que es eléctricamente continuo y de por lo menos 3/16" de grueso no puede ser dañado por las descargas directas. Pero, el tanque debe estar sellado contra el escape de vapores que puedan incendiarse.
PROTECCIÓN DE ÁRBOLES.
Los árboles que crecen aislados o que tienen una altura tal que sobrepasan cualquier estructura, son un blanco de las descargas atmosféricas. Por ello, para esos casos se recomienda protegerlos como si fuesen una estructura.
PROTECCIÓN DE LÍNEAS AÉREAS DE ENERGÍA ELÉCTRICA
La protección contra descargas atmosféricas de líneas aéreas de energía eléctrica se logra colocando un hilo puesto a tierra sobre ellas, llamado hilo de guarda y, mediante apartarrayos. El ángulo de protección obtenido al colocar un hilo de guarda es de 30 grados siempre y cuando el hilo se conecte a una tierra de baja resistencia (25 ohms o menos). Hay que notar que esta protección no protege a los equipos.
Los árboles altos y cerca de las líneas protegen las líneas de transmisión contra descargas atmosféricas. En el oeste de los EU y Canadá con derechos de vía en lugares boscosos, las líneas a veces no llevan hilo de guarda y con los árboles son protegidas.
PROTECCIÓN DE SUBESTACIONES ELÉCTRICAS
Las subestaciones de potencia son protegidas por puntas pararrayos colocadas sobre las estructuras, y por los hilos de guarda de las líneas que rematan en la subestación. Los hilos de guarda están conectados directamente a la malla de tierra de la subestación.
En el caso de las estructuras metálicas tipo rejilla (lattice), la mismas estructuras forman una jaula de Faraday de protección.
REDES DE MONITOREO ATMOSFÉRICO
Para cualquier análisis de ingeniería se requiere del número de descargas por unidad de tiempo y unidad de área, o la densidad de descargas (GFD por las siglas en inglés de Ground Flash Density) regional expresada normalmente como un promedio anual. Este parámetro se puede obtener localmente utilizando contadores de descargas o cualquiera de las versiones de los sistemas de localización de rayos comerciales.