INTRODUCCIÓN
Los sistemas de mediana y baja tensión se afectan
por las perturbaciones electromagnéticas. El que una
condición de perturbación constituya un suceso
depende de varios factores. Los más importantes
son:
? El nivel de la perturbación
(magnitud y forma de onda, rango de frecuencia, contenido de
energía, máxima tasa de variación,
frecuencia de ocurrencia y duración).
? La susceptibilidad del receptor
(respuesta de frecuencias, condiciones de diseño,
presencia de elementos de protección y
materiales).
? Las condiciones en las cuales se
efectúe el acoplamiento (por conducción o
por radiación, característica del medio de
propagación y atenuación).
Sobre estos aspectos y otros relacionados con la
protección contra rayos profundizaremos en el desarrollo
de los diferentes temas que aborda el curso.
1.1
CLASIFICACIÓN DE LAS SOBRETENSIONES EN SISTEMAS DE BAJA
TENSIÓN
Todo cambio lento o rápido en las condiciones de
operación de un sistema eléctrico origina una
redistribución de energía que debe satisfacer las
nuevas condiciones del sistema, la redistribución de
energía lleva asociada, cambios súbitos en las
señales de tensión durante tiempos muy
cortos.
Una sobretensión fase-tierra se define como aquel
valor de tensión que supera el valor:
Los transitorios son fenómenos de
cambio del estado estable de los parámetros
eléctricos (corriente o tensión) de la
onda de trabajo en un tiempo de duración muy corto (del
orden de &µs) a valores muy
altos.
Las sobretensiones se pueden clasificar
en:
? Sobretensiones
electrostáticas
? Sobretensiones temporales
? Sobretensiones transitorias:
– Sobretensiones debido a
operaciones de conmutación
– Sobretensiones debido a
la interacción entre diferentes sistemas
– Sobretensiones debidas al
LEMP
El término temporal se utiliza en el
análisis de variación de un sistema
eléctrico para indicar desviaciones no deseadas de las
señales de tensión y corriente que ocurren
generalmente a la frecuencia industrial.
El término transitorio se utiliza en el
análisis de variación de un sistema
eléctrico para indicar un evento que es indeseable y de
naturaleza no permanente. A él se asocian, también
cambios de estado estable de los parámetros
eléctricos de tensión y corriente. Los transitorios
electromagnéticos pueden clasificarse en dos
categorías: transitorios oscilatorios y transitorios de
impulso.
Los transitorios oscilatorios, donde generalmente se
ubican las sobretensiones asociadas a operaciones de maniobras
(en ocasiones DEA), resultan en un cambio súbito de
frecuencia no industrial, de las condiciones de estado estable de
tensión y puede que también de corriente, o ambos,
que incluye tantos valores positivos como negativos. Están
descritos por el espectro de frecuencia, su duración y su
magnitud. Los rangos de frecuencia se subdividen en altas, medias
y bajas frecuencia.
Los transitorios oscilatorios de alta frecuencia (500
kHz – 5 MHz) y duración de microsegundos son
generalmente la respuesta de un sistema a un impulso de
rayo.
Los transitorios de media frecuencia (5 kHz – 500
kHz) y duración de milisegundos están generalmente
asociado a maniobras de la red, aunque pueden deberse
también a un impulso de rayo.
Los transitorios oscilatorios de baja frecuencia (menos
de 5 kHz) se deben generalmente a maniobras de la red,
frecuentemente energización de bancos de
capacitores.
El término transitorio de impulso, donde
generalmente se ubican las sobretensiones por descarga
eléctrica atmosférica, se utiliza para caracterizar
un cambio súbito, de frecuencia no industrial, de la
condición estado estacionario de tensión y
corriente, o ambas, que es generalmente unidireccional en
polaridad, positivo o negativo.
Los transitorios de impulso se caracterizan normalmente
por su tiempo de subida o frente y de cola. Su origen más
común es la descarga eléctrica atmosférica,
fenómeno, generalmente, de alta frecuencia.
1.1.1 SOBRETENSIONES
ELECTROSTÁTICAS
Son impulsos de corriente que recorren un objeto
cualquiera conectado a tierra cuando éste entra en
contacto (directo o indirecto) con otro cuyo potencial respecto a
la tierra del anterior es elevado.
Las cargas electrostáticas proceden del
intercambio de electrones entre los materiales o entre
éstos y el cuerpo humano. La combinación de
materiales sintéticos (como plásticos, tela, etc.)
y un ambiente seco favorece la ocurrencia de las sobretensiones
electrostáticas.
Las perturbaciones generadas por los distintos tipos de
descargas electrostáticas son de alta frecuencia, que se
producen por conducción, pero se acoplan por
radiación fácilmente a otros
dispositivos.
El caminar sobre suelo de moqueta (intercambio de
electrones entre el cuerpo y el tejido) o el frotamiento de la
ropa con la silla al estar sentado son fuentes de este
fenómeno.
Figura 1.1 Generalidades de las
descargas electrostáticas.
1.1.2 SOBRETENSIONES
TEMPORALES
Una amplia cantidad de fenómenos, a veces
resultantes de operaciones del sistema, o por condiciones
accidentales (fallas), pueden producir sobretensiones que ocurren
a la frecuencia del sistema. Los equipos generalmente se
diseñan para soportar el efecto de altas sobretensiones
temporales, certificada según un ensayo de tensión
de corta duración.
Las sobretensiones temporales se definen como
sobretensiones de corriente alterna de una significativa
duración y amplitud que pueden aparecer, generalmente, son
originadas por fallas a tierra, resonancia, ferro resonancia o
pérdida súbita de carga.
SOBRETENSIONES TEMPORALES DEBIDO A FALLAS ENTRE EL
SISTEMA DE MEDIA TENSIÓN Y TIERRA.
Cuando ocurre una falla entre un sistema de media
tensión y tierra, en dependencia de sus configuraciones
respectivas de puesta a tierra, la corriente de falla en media
tensión fluye en uno o más electrodos de tierra y
genera sobretensiones debido a acoplamiento por tierra en los
sistemas de baja tensión.
Los parámetros fundamentales que
influyen en el valor y la duración de las sobretensiones
temporales debido a fallas entre media tensión y tierra
son los siguientes:
Configuración de los electrodos de
tierra de las redes de media y baja tensión:
? Uno dos o tres electrodos de tierra
distintos.
? Electrodos de puesta a tierra comunes o electrodos de
puesta a tierra separados para redes de media y baja
tensión.
? Los valores y el número de
electrodos de tierra del sistema de distribución de baja
tensión.
Tipo de puesta a tierra del sistema de
media tensión:
? Aislado.
? Solidamente puesto a tierra.
? Puesto a tierra a través de
impedancias.
? Sistema resonante.
Método utilizado para limpiar la
falla en media tensión:
? Aislado, resonante o por impedancias:
Tiempos largos.
? Solidamente puesto a tierra: Tiempo muy
corto.
? Puesto a tierra a través de baja
impedancia: Tiempo corto.
OCURRENCIA DE SOBRETENSIONES TEMPORALES
DEBIDO A FALLAS A TIERRA EN INSTALACIONES ELÉCTRICAS DE
MEDIA TENSIÓN
? En las subestaciones de media tensión y baja
tensión: en el aislamiento del equipamiento de baja
tensión entre las partes vivas y las partes conductoras
expuestas si no hay puesta a tierra común de los sistemas
de media y baja tensión.
? En las instalaciones eléctricas de baja
tensión: en el aislamiento del equipamiento de baja
tensión entre las partes vivas y las partes conductora
expuestas si el neutro no está conectado al electrodo
local de tierra.
? Entre la tierra local de la instalación de baja
tensión y una tierra remota, esforzando el equipamiento
usado fuera del edificio o en la entrada de servicio el cual
puede que no esté conectado al terminar de puesta tierra
principal.
OCURRENCIA DE SOBRETENSIONES TEMPORALES
DEBIDO A FALLAS A TIERRA EN INSTALACIONES ELÉCTRICAS DE
BAJA TENSIÓN
? En sistemas TN, la falla a tierra puede producir
sobretensiones comparables a aquellas que ocurren en circuito
donde la falla es entre fase y neutro.
? En sistemas TT, la corriente de falla puede circular
entre el conductor de protección y dos electrodos de
tierra.
Las consecuencias de las fallas a tierra, en particular
las sobretensiones que afectan a los supresores de
sobretensión, están determinadas por la
localización de la falla y en un sistema TT por la
impedancia a tierra de los electrodos.
Si el supresor de sobretensión se selecciona con
una máxima tensión de operación continua
(MCOV de las siglas en ingles Maximun Continuos Operate Voltage,
Uc) menor que el valor producto de la sobretensión por
falla a tierra, la corriente que circula y el coeficiente
negativo de temperatura que tienen los materiales de los que
están construidos, los lleva a ruptura
térmica.
Los dispositivos de protección contra
sobretensión al nivel actual de la tecnología, como
los que se aplican para protección contra descarga
atmosférica y por conmutación, no tienen la
capacidad requerida para limitar las sobretensiones temporales.
Por tanto cuando se seleccione la tensión máxima de
operación para los supresores de sobretensión en
una instalación específica se debe tomar en
consideración la probabilidad de ocurrencia de
sobretensiones temporales en el sitio y su magnitud.
1.1.3 SOBRETENSIONES
TRANSITORIAS
1.1.3.1 SOBRETENSIONES DEBIDO A
OPERACIONES DE CONMUTACIÓN
Generalmente cualquier operación de
conmutación, falla, interrupción, entre otras en
una instalación eléctrica es seguida por un
fenómeno momentáneo en el cual ocurre una
sobretensión. El cambio repentino en el sistema puede
iniciar oscilaciones amortiguadas de relativa alta frecuencia
(determinada por la frecuencia de resonancia de la red), hasta
que el sistema se estabilice de nuevo al estado estable. La
magnitud de las sobretensiones por conmutación dependen de
los parámetros del circuito, del tipo de circuito y del
tipo de operación de conmutación (cerrar, abrir,
reencendido).
En la mayoría de los casos el máximo de la
sobretensión de conmutación está en el orden
de dos veces la amplitud de la tensión del sistema, pero
valores mayores pueden ocurrir, especialmente cuando se conmutan
cargas inductivas (motores, transformadores) o cargas
capacitivas. También la interrupción de corrientes
de cortocircuito puede causar altas sobretensiones.
Realizando detalladas mediciones en instalaciones
eléctricas y su respectiva evaluación
estadística puede ser estimada la magnitud de la
sobretensión debido a operaciones de conmutación. A
través de estas mediciones puede ser evaluada la
frecuencia de la ocurrencia de sobretensiones transitorias que
dependan de ciertos periodos de tiempo durante un año, de
ciertos días de la semana o determinados momentos del
día. Si existen características tiempo-dependientes
como estas, la ocurrencia de los transitorios puede ser inferida
de eventos que ocurren dentro de la instalación
eléctrica, ya sea por operaciones de conmutación
programada o por operar equipos eléctricos que puedan
crear interferencia debido a su diseño
específico.
Estas consideraciones hacen necesaria examinar la
probabilidad de que un supresor de sobretensiones diseñado
con la intención de mitigar las sobretensiones pueda
ofrecer una efectiva limitación de sobretensión.
Después se debe determinar que el mismo tenga la capacidad
necesaria de acuerdo a los niveles y duración
de las corrientes que estén involucradas en las
sobretensiones probables en esas localizaciones. Se denominan
bajo este término, entre otros, los fenómenos
provocados por la puesta en marcha o el apagado de equipos
eléctricos.
Resumiendo las sobretensiones debido a operaciones de
conmutación pueden ocurrir debido a:
? Puesta en marcha de motores /
transformadores.
? Cebadores para el alumbrado público.
? Conmutación de redes de
alimentación.
? Energización de un circuito
inductivo.
? Funcionamiento de un fusible o de un
disyuntor.
? Interrupción de una corriente de corto
circuito.
? Caída de líneas.
? Contacto falso o intermitente.
Estos fenómenos van a generar sobretensiones
transitorias de varios kV con tiempos de subida del orden del
microsegundos que van a afectar a los equipos de las redes sobre
los cuales el sistema perturbador está
conectado.
1.1.3.2 SOBRETENSIONES DEBIDO A LA
INTERACCIÓN ENTRE DIFERENTES SISTEMAS
Este tipo de sobretensiones son las que ocurren por
interacciones entre dos sistemas diferentes, como la de un
sistema de energía de corriente alterna y un sistema de
comunicaciones y transmisión de datos, durante el flujo de
corrientes asociadas a sobretensiones en uno de los
dos.
Las interacciones de sistemas ocurren en la interfase de
dos sistemas diferentes, como la de un sistema de energía
que esté proveyendo a un equipo la electricidad que
necesita, y un sistema de comunicaciones que este proveyendo al
equipo las señales que va a procesar. Este equipo
multipuesto puede estar expuesto a sobretensiones que ocurren no
solo en el modo diferencial de cada uno de los puertos sino
también entre los terminales de referencia de los dos
puertos.
Un ejemplo típico donde ocurre conexión a
un sistema de energía y a un sistema de
comunicación es la computadora personal (PC) con
conexión de módem o una máquina de fax.
Aunque cada uno de los sistemas de energía y de
comunicación puede incluir protección contra
sobretensiones, la corriente que fluye en el sistema bajo
sobretensión causa un cambio en el potencial de su punto
de referencia mientras que el punto de referencia que no
está bajo sobretensión permanece sin cambio. La
diferencia de potencial entre los dos puntos de referencia
aparece a través de los dos puertos de la PC/módem.
Según la naturaleza de la PC/módem y su inmunidad
(puede estar constituida por piezas de distintos fabricantes),
esta diferencia de potencial puede tener consecuencias
dañinas o molestas.
El caso más crítico es cuando la entrada
de alimentación (línea de c. a) está en el
extremo opuesto al puerto de entrada de la línea de
comunicación (módem, fax), ya que es cuando pueden
ocurrir las mayores sobretensiones (ver figura 1.2). Con el fin
de eliminar este tipo de sobretensión se
fabrican
dispositivos que brindan doble
protección (alimentación y comunicación), ya
que al disminuir el espacio de aire entre protectores, se elimina
la sobretensión.
Figura 1.2 Ejemplo de
interacción entre diferentes sistemas.
1.1.3.3 SOBRETENSIONES DEBIDAS AL LEMP
LEMP: Lightning Electro-Magnetic Pulse.
Impulso Electromagnético del
Rayo.
De acuerdo con su origen las sobretensiones
producto del LEMP pueden ser:
Externas. Generadas por descargas de
rayo que impactan las líneas entrantes o el terreno
cercano y son transmitidas a los sistemas eléctricos y
electrónicos mediante dichas líneas.
Internas. Generadas por descargas de
rayo que impactan la estructura o el terreno cercano.
De acuerdo con los mecanismos de
acoplamientos las sobretensiones producto del LEMP pueden
ser:
Conducidas e inducidas:
Transmitiéndose a los aparatos mediante el cableado de
conexión.
Debidas al campo electromagnético
radiado: Actuando directamente sobre los aparatos. El campo
electromagnético radiado puede deberse a:
? La propia corriente de la descarga que
fluye a través del canal del rayo.
? La corriente parcial del rayo que circula
por los conductores (ej.: en los conductores de bajada de un LPS
externo o en el blindaje espacial externo).
Figura 1.3 Clasificación
de las sobretensiones debidas al LEMP respecto a su
origen.
1.1.3.3.1 MECANISMOS DE
ACOPLAMIENTOS
Mecanismos de acoplamientos:
? Acoplamiento resistivo.
? Acoplamiento por campo magnético
(inductivo).
? Acoplamiento por campo eléctrico
(capacitivo).
ACOPLAMIENTO RESISTIVO
Debido al aumento del potencial
eléctrico de edificios o estructuras interconectadas
eléctricamente mediante líneas aéreas o
soterradas de energía o comunicaciones.
Es la causa más común de los transitorios
electromagnéticos, y afectan tanto a los cables soterrados
como a las líneas aéreas. Ocurren cuando un rayo
impacta a tierra y sube el potencial eléctrico de
edificios o estructuras interconectadas eléctricamente.
Ejemplos de estas interconexiones son:
? Alimentadores de subestación a
edificio.
? Alimentadores de edificio a edificio.
? Líneas telefónicas dentro de un
edificio.
? Cables de comunicación o transmisión de
datos entre edificios.
Los transitorios acoplados resistivamente
pueden ocurrir cuando existen tierras independientes en
estructuras separadas solo unos metros.
En la figura 1.4a se observa un ejemplo de este caso. El
aumento de potencial del sistema de puesta a tierra está
determinado por la corriente del rayo y por la impedancia de
puesta a tierra. En el primer momento el potencial del electrodo
a tierra está determinado por la impedancia local, por
ejemplo 10 ?. Esto significa que una alta tensión se
produce entre el sistema de puesta a tierra y las instalaciones
eléctricas dentro del edificio, con una alta probabilidad
de causar daños en el aislamiento o problemas en la
operación de los supresores.
Después de estos eventos pueden fluir impulsos de
corrientes hacia varios sistemas, mayormente determinados por su
impedancia a tierra. De esta forma se producen sobretensiones en
el sistema de alimentación de energía y en otros
servicios (sistemas de telecomunicación, datos y
señales, etc.). Además se transfieren
sobretensiones a otros edificios estructuras o instalaciones. Por
ejemplo, se pueden afectar todas las instalaciones de
energía que se alimentan del mismo transformador de
distribución del que recibe energía la afectada
inicialmente.
Cuando un rayo cae directamente al suelo la corriente de
la descarga del rayo puede elevar el potencial de tierra varios
kV como consecuencia de la corriente que circula por el terreno,
causando sobretensiones en los sistemas que tengan su referencia
de tierra en las cercanías del punto de impacto, ver
figura 1.4b.
Figura 1.4 Acoplamiento
resistivo debido al impacto de un rayo en el pararrayo de una
instalación (a).
Acoplamiento resistivo por la
caída de un rayo a tierra en la vecindad de un sistema
(b).
ACOPLAMIENTO POR CAMPO MAGNÉTICO
(INDUCTIVO)
Debido a los altos campos electromagnéticos
causados por la corriente del rayo, acoplamientos inductivos y
capacitivos a sistemas eléctricos cercanos al camino de un
rayo también pueden causar sobretensiones importantes,
especialmente en sistemas de datos y electrónicos causando
fallas y/o errores.
Con la descarga del rayo fluye una gran corriente a la
que se asocia un campo electromagnético variable. Si hay
cables eléctricos de potencia o señal dentro del
campo magnético de dicha corriente, en ellos se induce una
tensión. Este efecto de inducción es causado por
descargas entre nubes sobre una línea eléctrica o
de telecomunicaciones, o al impacto directo en el pararrayos de
un edificio en el cual el conductor de bajada del
mismo corre paralelo a cables eléctricos de fuerza,
alumbrado o señal, tal y como se muestra en la figura
1.5.
Figura 1.5 Acoplamiento
inductivo debido al impacto directo en el pararrayos de una
edificación.
Las sobretensiones transitorias inducidas
por acoples magnéticos causados por impactos de rayo
cercanos pueden ser estimadas mediante la siguiente
ecuación:
Donde:
&µ0: Permeabilidad
magnética del aire, Vs/Am.
D, b, l: Dimensiones descritas en la figura
1.6.
Figura 1.6 Dimensiones del lazo
creado por instalaciones en una estructura lxb.
Como
Sustituyendo 1.3 y 1.4 en 1.2, tenemos
que:
Donde:
Slb: área del lazo,
m2.
Hm: intensidad del campo
magnético en la estructura, A/m.
TL: tiempo de frente de la corriente
del rayo o de la onda de campo magnético, s.
En caso de una descarga directa puede ser
estimada mediante la expresión:
Donde:
D, b, l y TL corresponden a los parámetros
definidos anteriormente.
IL: Es la corriente del rayo, kA.
ACOPLAMIENTO POR CAMPO ELÉCTRICO
(CAPACITIVO)
Todo conductor se acopla capacitivamente (capacitancias
parásitas) con el resto de los conductores (y
también con tierra). Cuando aparece una diferencia de
potencial, estas capacidades se cargan y más tarde se
descargan por los conductores, provocando corrientes nocivas, ver
figura 1.7.
Cuando la carga eléctrica transportada por el
líder del rayo se posiciona cerca de la tierra, se
producen campos eléctricos muy fuertes (del orden de 500
kV/m).
Su efecto, dentro de las instalaciones, es en general
menor que el magnético y el resistivo y puede despreciarse
si se considera un mínimo de medidas de protección
tales como el apantallamiento de la
instalación.
Figura 1.7 Acoplamiento
capacitivo.
1.2 PROBLEMAS
CAUSADOS POR LAS SOBRETENSIONES
Malfuncionamiento:
Los niveles lógicos o
analógicos del sistema son alterados. El sistema puede ser
reiniciado y entonces funcionará
normalmente.
? Pérdida de datos.
? Funcionamiento erróneo o bloqueo
de programas informáticos.
? Errores de transmisión de
datos.
Degradación:
Los tiempos de exposición más
largos a sobretensiones transitorias de bajo nivel, degradaran
los componentes electrónicos.
? Envejecimiento prematuro de
componentes.
? Reducción de la vida
útil.
? Incremento de la probabilidad de
fallas.
Daño:
Las sobretensiones transitorias de mayor
nivel pueden causar daño a los componentes, tarjetas
electrónicas e interfaces de entrada/salida.
? Destrucción de uniones
semiconductoras.
? Destrucción de las metalizaciones
de los componentes.
? Destrucción de calles de circuitos
impresos y de contactos.
1.3
TENSIÓN DE SOPORTE A IMPULSO O NIVEL DE
AISLAMIENTO
La tensión de soporte a impulso o nivel de
aislamiento, es la tensión asignada por el fabricante a un
equipo o a una parte del mismo, que caracteriza a su capacidad de
soporte ante ondas tipo impulso típica de 1,2/50
&µs sin daño de su aislamiento tanto interno
como externo.
Figura 1.8 Valores ilustrativos
de la tensión de soporte a impulso o nivel de aislamiento
de diferentes receptores eléctricos.
En temas posteriores se profundizará
sobre este aspecto.
1.4 EL
FENÓMENO DEL RAYO
Debido a que nuestra sociedad es cada día
más dependiente de la red de energía
eléctrica y de información, de los equipos de
cómputo y, en general, de los equipos eléctricos y
electrónicos el diseño y la protección de
estos contra los efectos dañinos de las descargas
eléctricas atmosféricas es hoy una tarea de primera
necesidad.
Por ello en lo que se refiere a parámetros de
rayo, se trata de abordar el tema con un enfoque cítrico
para recomendar cuales son los parámetros de la descarga
eléctrica atmosférica que deben utilizarse en los
diseños de ingeniería de nuestro país,
tomando como base una comparación entre estudios
realizados recientemente en zonas tropicales (más cercanas
a nuestra realidad) y otros llevados acabo para ubicaciones
geográficas diferentes a las de nuestro
entorno.
1.4.1 FORMACIÓN DEL
RAYO
Desde la primera percepción de que el rayo es una
descarga eléctrica, los científicos han estudiado
ampliamente las tormentas y los rayos. Aunque han transcurrido
siglos de estudios y creado instrumentos sofisticados que han
permitido un conocimiento mayor, hay mucho aún sobre este
fenómeno que no es claramente entendido. Para comprender
como funciona la protección contra el rayo y cual sistema
es más apropiado para las diferentes aplicaciones, se
necesita un repaso del fenómeno.
Las nubes de tormenta son cuerpos eléctricamente
cargados suspendidos en una atmósfera que puede ser
considerada en el mejor de los casos un mal conductor. Durante
una tormenta, se produce una separación de cargas dentro
de la nube. El potencial en la base de la nube alcanza
generalmente los 100 MV y la elevación resultante del
campo eléctrico sobre la tierra los 10 kV/m. Dicha
separación de cargas usualmente deja la base de la nube
con carga negativa, induciéndose una carga similar de
polaridad contraria en la superficie de la tierra debajo de
ésta de aproximadamente la misma forma y tamaño.
Ver figura 1.9.
Figura 1.9 Separación
de carga.
Mientras crece la intensidad de la tormenta, la
separación de cargas continua hasta que el aire entre la
nube y la tierra no puede actuar como aislador.
Se forman chispas de baja intensidad llamadas
"líderes de paso", que se mueven desde la base de la nube
que con arranques y paradas sucesivas acercándose a
tierra. Estos pasos son de igual longitud, y esa longitud
está relacionada con la carga en la nube de tormenta
así como la corriente pico del impacto. Suelen ramificarse
mucho, pero la mayoría de ellas no llegan al
suelo.
Cerca de la superficie terrestre se va generando, poco a
poco y sobre ciertos puntos llamados de descarga, una
acumulación de cargas positivas. Mientras los
líderes se aproximan a la tierra el campo eléctrico
entre líderes se incrementa con cada paso. Finalmente, a
la distancia de un paso de la tierra se establece una "zona de
impacto". Una zona de impacto tiene forma semiesférica con
un radio igual a una longitud de paso (ver figura 1.10). El campo
eléctrico dentro de la zona de impacto es tan alto que
crea trazadores ascendentes desde los objetos en tierra. El
primer trazador que alcanza el líder de paso cierra el
circuito nube-tierra y comienza el proceso de
neutralización de cargas.
Figura 1. 10 Zona de
impacto.
En la figura 1.11 se muestra como cuando se interponen
estructuras entre la tierra y la nube de tormenta, éstas
también se cargan. Ya que ellas acortan una parte del
espacio de aire de separación, pueden ser impactadas por
el rayo.
La neutralización de cargas (el rayo) es causado
por el flujo de electrones de un cuerpo a otro, tal que no haya
diferencia de potencial resultante entre los dos cuerpos. El
proceso crea el mismo resultado que cortocircuitar los terminales
de una batería. Se produce en este momento la primera
descarga de retorno (Return Stroke) que se desplaza desde la
tierra a la nube transportando gran cantidad de carga en el canal
y en un tiempo muy pequeño.
Posteriormente aparece una segunda descarga de retorno
(menos energética que la primera), es la llamada
GUÍA RÁPIDA (Dart Leader) que baja de una sola vez
de forma no pulsante y así sucesivamente hasta unas 5 como
promedio. Para el ojo humano todo sucede tan rápido que lo
que se observa es un solo destello.
Figura 1.11
Neutralización de cargas.
Aunque las tormentas son altamente variables en su
intensidad, dimensiones, composición y estructura
eléctrica se pueden hacer algunas generalizaciones a cerca
de ellas:
? La actividad eléctrica suele venir
asociada con fuertes corrientes ascendentes y
precipitación, por la que se asocian a nubosidad de tipo
cumuliforme.
? Las observaciones disponibles revelan
actividad eléctrica entre 60º N y 60º S,
más frecuentemente en bajas latitudes y en
tierra.
? La mayoría de los rayos se observan en nubes
con contenido de gotas de agua y de hielo.
1.4.2 EFECTOS DEL RAYO
Típicamente más de 2000 tormentas
están activas alrededor del globo terráqueo en un
momento dado, produciendo aproximadamente 100 descargas por
segundo, casi 30 millones de descargas en un año lo que lo
convierte en el principal regulador del balance calorífico
del planeta, además de ser un gran fijador del
nitrógeno en el suelo, necesario para la vida vegetal y un
recuperador del ozono en el aire.
La descarga eléctrica atmosférica es, sin
embargo el principal generador de disturbios
electromagnéticos, y tiene efectos muy negativos. Los
principales son:
Térmicos
Relacionados con el desprendimiento de calor, la
temperatura máxima puede alcanzar valores
superiores a 30000°C. Se le asocian daños
forestales, por fuego y de elementos eléctricos y
electrónicos por sobrecalentamiento.
Electromagnéticos
Asociados a la alta frecuencia (espectro muy largo) del
fenómeno que provoca radiaciones parásitas,
inducción y acoplamiento de circuitos. Se le asocian
daños debido a sobretensiones inducidas en circuitos
eléctricos, electrónicos y de
comunicaciones.
Electrodinámicos
Debidos a los esfuerzos entre conductores paralelos
próximos con la circulación de la corriente del
rayo. En un conductor la corriente ejerce una fuerza, la cual se
obtiene directamente de la ley circuital de Amperes:
Donde:
B: inducción magnética
i: intensidad de corriente
l: longitud del conductor
a: separación entre conductores
Se le asocian daños de roturas de conductores
eléctricos y telefónicos.
Electroquímicos
En su trayectoria el rayo puede encontrar materiales
metálicos en los que la reacción química que
provoca es la corrosión; en especial en la zona de
transición metal-tierra puede desgastar el metal o, si
existe, la cubierta galvánica anticorrosiva
(reacción galvánica). Se le asocian daños en
los sistemas de puesta a tierra.
Fisiológicos
Anualmente el rayo es el responsable de un porcentaje
importante de pérdidas de vidas humanas. En los sistemas
eléctricos es frecuente alcanzar potenciales de varios
centenares de kV en tomas de tierra de los equipos de alta
tensión afectados. La ley de variación,
función de la distancia a la toma de tierra, es
aproximadamente hiperbólica y provoca la aparición
de potenciales y gradientes asociados con valores muy elevados,
en las proximidades de las tomas de tierra, incluso a distancias
de decenas de metros, que constituyen un peligro para la vida por
los altos valores de las tensiones de paso y de contacto que
pueden provocar una electrización causante de
electrocución.
1.4.3 PARÁMETROS DEL RAYO
IMPORTANTES PARA APLICACIONES EN
INGENIERÍA.
La definición de los parámetros del rayo
requiere de una exquisita exactitud, ya que para cualquier
análisis de la protección de los sistemas
eléctricos, instalaciones industriales y edificaciones
contra las descargas de rayos es necesario el conocimiento de sus
características en el espacio y en el tiempo.
Diversas investigaciones se han desarrollado, incluyendo
registros y mediciones del rayo, para poder modelar su cuadro de
desarrollo desde la formación de la nube de tormenta y el
surgimiento del canal del líder, hasta su
propagación e impacto en los objetos en tierra teniendo en
cuenta las descargas múltiples y así caracterizar
los parámetros del rayo para su aplicación en los
diseños de ingeniería.
Sin embargo es necesario tener bien claro, que la
mayoría de estas investigaciones han sido realizadas en
zonas templadas o semitropicales y muy pocas en zonas tropicales
(todas en este caso sin series de tiempo los suficientemente
válidas desde el punto de vista estadístico para
validar los parámetros del rayo) y por tanto, que la
información disponible en las normas internacionales no
puede ser trasladado sin un estudio detallado de objetividad de
su utilización.
Para el propósito de planeamiento del sistema,
diseño y mantenimiento, los parámetros del rayo
pueden dividirse en dos grupos fundamentales:
? Parámetros de incidencia, que
incluyen:
– Nivel ceráuneo, Td
o NC.
– Densidad de descargas a
tierra Ng o DDT.
– Polaridad del
rayo.
– Multiplicidad.
– Duración de la
descarga eléctrica atmosférica.
– Duración del
intervalo entre descargas individuales.
? Parámetro de amplitud de la corriente de
retorno del rayo, CR.
? Parámetro de la forma de impulso de la
corriente de rayo.
La comprensión y el conocimiento que debe ser
esclarecido a todo el personal que se dedica al diseño de
los sistemas de protección integral contra rayo en el
sistema de baja tensión, instalaciones industriales y
edificaciones es que las magnitudes anteriormente
señaladas varían espacial y
temporalmente.
La hipótesis de la variación temporal de
los parámetros del rayo se fundamenta en los principios
científicos, planteados por C.T.R Wilson en 1920 y Whippel
en 1929, sobre el Circuito Eléctrico Global y la
contribución dominante, por una superposición de
efectos, de las tres mayores zona de convección profunda
tropical del planeta: Sur América Tropical, Centro de
África y el continente Marítimo (Sureste de Asia y
Australia).
El planteamiento, por tanto, de que sobre el planeta
existe una distribución no uniforme de la actividad
eléctrica atmosférica, al clasificar las zonas de
convección profunda tropical como las de mayor actividad,
data de principios del siglo pasado. Sin embargo, cuando los
investigadores infirieron los parámetros del rayo para su
uso en ingeniería, generalizaron los datos de mediciones
locales de latitudes norte para todo el planeta.
La actividad eléctrica atmosférica y en
consecuencia los parámetros de la descarga no pueden ser
inferidos globalmente para todas las regiones del planeta por
mediciones realizadas en una parte de éste.
Las diferentes regiones del mundo tienen distintas
actividades eléctricas, los parámetros del rayo no
son necesariamente iguales, de hecho no lo son, en países
de climas templados que en países tropicales.
En un mismo país, por ejemplo Cuba, los
parámetros pueden variar de una región a otra,
influenciados además de por la ubicación
geográfica de cada región por los parámetros
meteorológicos particulares de las microlocalizaciones y
la orografía.
La perspectiva espacial significa que los
parámetros del rayo varían global y localmente,
influenciados por la delimitación de área y por las
micro y las macro influencias como: los parámetros
meteorológicos (temperatura, viento, presión
atmosférica, etc.) y los parámetros
geográficos (regiones montañosas, planas o
costeras, etc.).
La perspectiva temporal significa que, los
parámetros del rayo se caracterizan por variar en diversas
escalas en el tiempo, las cuales son: diariamente (la
información de tormenta es diferente dependiendo de la
convección en la mañana o en la tarde),
mensualmente (variación estacional) y cíclica (en
base a años).
En lo adelante, se describen los parámetros del
rayo de acuerdo a las investigaciones realizadas en diferentes
países.
1.4.3.1 INTENSIDAD DE LAS
DESCARGAS.
Los indicadores más utilizados para evaluar este
parámetro, actualmente son: los días tormenta y la
densidad de rayos a tierra (Ng o DDT).
DÍAS TORMENTA AL AÑO.
Los días tormentas, primer indicador establecido
y ampliamente utilizado todavía, es un indicador indirecto
que expresa la cantidad de días tormenta al año (Td
o Nc) de la región y acostumbra a darse para un
país según el Mapa de Niveles Isoceráunicos
(curvas de nivel de igual cantidad de días tormentas al
año).
Para obtener el número de días tormentas
al año se utilizan las observaciones que se realizan desde
las estaciones meteorológicas donde se toma como
día de tormenta, aquel en que el observador note aunque
solo sea una llamarada de rayo o trueno. De esta manera no se
discrimina entre los rayos nube a nube, entre nubes y los rayos
nube a tierra.
Sus principales imprecisiones se deben a su forma de
obtención y al necesario establecimiento de una
relación empírica o analítica entre los
días tormentas y el número total de rayos a tierra.
Además deben tomarse las observaciones en el
período más largo posible para en algún modo
tener en cuenta las variaciones de tormenta a tormenta, de
año a año y de región en
región.
El mapa de Niveles Isoceráunicos de la
República de Cuba y que constituye el único
indicador de la intensidad de las tormentas con que
cuenta el país, se muestra en la figura 1.12.
Como se conoce, para los propósitos de
ingeniería, un diseñador de sistemas de
protección contra rayos debe conocer, no la cantidad de
días tormenta sino la densidad de rayos a
tierra.
En este caso, como se plantea anteriormente se establece
una relación entre Td y Ng o Nc y DDT.
DENSIDAD DE RAYOS A TIERRA.
La densidad de rayo a tierra (Ng o DDT) es un indicador
directo, actualmente el más exacto para caracterizar la
actividad de tormenta en una región. Expresa la cantidad
de rayo en una superficie de tierra de un kilómetro
cuadrado en el tiempo de un año. La información que
se obtiene de la determinación de rayos a tierra en un
periodo de tiempo lo suficientemente largo para una región
permite definir las curvas de isodensidad de rayos a
tierra.
Existen dos tecnologías para obtener la densidad
de rayos a tierra: los contadores de rayo y los sistemas de
detección y localización de rayos.
Desde la década del cincuenta del siglo pasado,
se han utilizado los contadores electrónicos de rayos para
realizar mediciones directas de la densidad de rayos a tierra en
regiones limitadas en todo el mundo. Estos dispositivos son
censores del campo eléctrico de la descarga. De forma
general, los contadores de rayo basan su funcionamiento en que el
campo eléctrico de la descarga censado en la antena se
introduce a un circuito contador, si este rebasa el umbral
prefijado el contador se dispara e incrementa en uno su valor.
Después de operar no son capaces de volver a hacerlo hasta
un segundo posterior con lo que evitan registrar las descargas
consecutivas.
Página siguiente  |