Diseño de Sistemas de protección contra descargas atmosféricas (SPDA) Parte I

 

Uno de los temas más esotéricos de la ingeniería eléctrica es el de las protecciones contra descargas atmosféricas, específicamente el tema de los pararrayos, ya he mencionado antes que al tratarse de un fenómeno natural bastante complejo, es difícil establecer un criterio único e inequívoco, por ello la abundancia de opiniones y mitos extraños e incluso malas prácticas que comúnmente se ven en el diseño.

Antes de continuar debo confesar que no soy experto en la materia, he diseñado algunas protecciones colocando los pararrayos según “Los criterios” que encontré en documentos anteriores, sin embargo en algún momento consideré necesario hacer una investigación particular y libre de preconceptos. Este es el resultado de esa investigación…

El Rayo

El aire no es un aislante perfecto, dado que su resistencia dieléctrica es de aproximadamente 30 kV/cm, cuando se alcanza cierto nivel de tensión eléctrica entre dos puntos inevitablemente se producirá una chispa (tamaño familiar, a la que llamamos rayo).

Dependiendo de la carga, los rayos se clasifican en negativos (electrones o iones con carga negativa) y positivos (iones con carga positiva, no creo que protones pero la verdad no encontré nada sobre eso), según su origen (Fig. 1) tenemos los rayos internos (dentro de la nube), internube (de nube a nube), nube a tierra (80% de los rayos producidos y por ende los que nos interesan a nosotros) y de tierra a nube.

Figura 1. Clases de rayos

A pesar lo la poca duración que tienen (microsegundos), tienen un potencial destructor increíble ya que hablamos de una corriente típica de 30 kA, hasta casos donde se han registrado 300 kA, de allí que tengamos que proteger nuestras instalaciones y a nosotros mismos.

Formación del rayo

El rayo (de ahora en adelante: de nube a tierra y negativo) se produce por la unión de los líderes (Fig. 2) tanto ascendente (Up Streamer) como descendente (Stepped leader), que son precisamente esas partículas cargadas que le hacen un “caminito” ionizado al rayo (Fig. 3) , cuando se “tocan” se produce propiamente la descarga eléctrica como podemos ver en la figura 4.

Figura 2. Lideres ascendentes y descendentes

Figura 3. Contacto entre lideres ascendentes y descendentes

Figura 4. Manifestación del rayo

Cuando el rayo se produce “drena” la carga negativa de la nube, lo que puede ocurrir en varias descargas muy seguidas, por eso algunas veces vemos que el rayo titila.

Ruta de lideres descendentes y formación del rayo

Datos de ingeniería de los rayos

Desde el punto de vista de ingeniería conviene resumir las características típicas de los rayos según la tabla a continuación:

 

Parámetro	Magnitud
Amplitud de la primera descarga	Valor medio: 30 kA, solo el 10% supera los 75kA
Amplitud de las descargas subsecuentes	Valor medio: 8kA, valor del 10%de 30kA
Tasa de incremento de corriente de la primera descarga	Valor medio: 7kA/us, valor del 10% 13 kA/us
Tasa de incremento de corriente de las descargas subsecuentes	Valor medio: 25kA/us, valor del 10% 80 kA/us
Descargas por rayo	25% de los rayos contiene 4 o mas descargas, los mayores menos de 18.
Carga de la primera descarga	Valor medio: 6 C, valor del 10% 30 C.

fuente: Overhead Power Lines, ESKOM

Protección contra descargas atmosféricas

Puesto que el rayo es un fenómeno natural e impredecible, no es posible evitar su incidencia en las estructuras o personas en un 100%, lo que se trata entonces es de atraer el rayo que de otra manera pudiera haber caído en un área no deseada.

La forma usual de hacer esto es por medio de una Punta Franklin, el pararrayo mas sencillo consta de un elemento captor de cobre o con usa resistividad equivalente, conectado sólidamente a tierra por medio de un bajante.

La idea es que el pararrayo se encuentre en una ubicación tal, que sea un a tractor por excelencia ante los posibles lideres descendentes, anteponiéndose ante cualquier estructura según los criterios de ubicación.

Criterios para la ubicación de pararrayos

Básicamente existen dos métodos para realizar los diseños y definir la ubicación y cantidad de los pararrayos, se trata del método del cono de protección y de la esfera rodante

Método del cono:

Este método consiste en definir un cono alrededor del pararrayo, asumiendo que las estructuras y superficies que estén dentro de ese cono quedaran protegidas.

la NFPA 780, indica dos tipos de ángulos, para estructuras menores a 7,6 m debe ser de 63 grados (relación 1 a 2),  en estructuras de hasta 15 m se puede usar una apertura de 45° (relación 1 a 1).

En la figura de abajo podemos ver una zona de protección con ángulo de 45°

La vista en 3D, nos muestra la formación del cono.

 

Aplicamos ahora transparencia para ver la casa y la persona de referencia.

Este método es considerado como obsoleto y falto de basamento científico, en varios de los textos consultados se hace hincapié en esta afirmación y se invita a usar métodos electrogeométricos.

Método de la esfera rodante:

Deriva del llamado modelo electrogeométrico (EGM), el cual predice que considerando una esfera imaginaria de un determinado radio, el rayo tendrá una mayor probabilidad de tocar las superficies u objetos que se encuentren dentro de la esfera o “toquen” su superficie. Quedando protegida el área o volumen fuera de la misma.

Las primeras referencias de este método vienen del trabajo de Ralph H. Lee in 1977.

Cuando se gira la esfera alrededor del pararrayo forma un embudo invertido como se muestra a continuación:

Visto en 3D

 

Aplicamos ahora transparencia para ver la casa y la persona de referencia, respecto al embudo de la zona de protección.

La zona de protección tiene un alcance limitado, por lo tanto puede que alguna parte de un equipo o estructura quede fuera de ella como lo muestra la figura de abajo.

La casa de la derecha ya no se encuentra protegida, para solucionar esto se instala otro poste con otro pararrayo.

 

Vemos que ahora la casa de la derecha esta protegida por el nuevo pararrayo, ambas zonas se unen y forman una nueva y mas grande.

Visto en perspectiva 3D tenemos la nueva región de protección.

Pero hay algo adicional, cuando la esfera rueda entre los dos pararrayos crea una zona mayor que la suma de las dos como vemos a continuación.

La resaltamos en verde

Quedando finalmente algo similar a una carpa de circo.

Consideraciones de diseño

Según el libro de: Lightning protection for engineers a la hora del diseño y determinación de las zonas de protección se debe tener en cuenta los siguiente:

Para el método del cono:

1. Este método es una aproximación teórica y el rayo no necesariamente puede comportarse como lo predice.
2. Este concepto de protección NO implica seguridad para las personas ya que los voltajes de toque y paso pueden afectar a las mismas. 
3. El ángulo de protección esta en función de la altura de la estructura.

Para el método de la esfera rodante:

1. Este método es una aproximación teórica y el rayo no necesariamente puede comportarse como lo predice.
2. Este concepto de protección NO implica seguridad para las personas ya que los voltajes de toque y paso pueden afectar a las mismas.
3. El radio de la esfera varia según el código o norma usada, por ejemplo:

• (US ) NFPA 780, R=46m
• (US) Dept Energy and Deot Defense, R= 33m
• IEC 62305: Nivel I, R= 20 m / Nivel II, R=30m / Nivel III, R=45m / Nivel IV, R=60m
• BS 66551 (Britanica) R=20m

Normas de referencia

• NFPA 780 - 2011
• EEE Std. 998-1996. IEEE Guide for Direct Lightning
  Stoke Shielding of Substations
• US Air ForceAFI 32-1065Grounding Systems (2003)
• US Air Force91-201US Air Force Explosives Safety (2001)
• US Army385-64, Chapter 12Ammunition & Explosive Safety Standards – Lightning
• US NavyNAVSEA OP5Chapter 6, Lightning Warning and Protection (1999)
• US MilitaryMIL-STD188-124Grounding, Bonding and Shielding for Common Long Haul/Tactical Communications Systems (1992)
• US MilitaryMIL-HDBK 419A Grounding Bonding and Shielding for Electronic Equipment and Facilities (Volume I, Basic Theory, 1987)(Vol. I)
• US MilitaryMIL-HDBK 419A Grounding Bonding and Shielding for Electronic Equipment and Facilities (Volume II, Applications, 1987)(Vol. II)
• DOEM440.1-1 Department of Energy Electrical Storms and Lightning ProtectionDOEDOE/EH-0530Department of Energy Lightning Safety (1996)
• DDESBDDESB 6055.9Department of Defense Chapter 7, Lightning Protection (1997)FAAFAA-STD-019deLightning Protection, Grounding, Bonding and Shielding Requirements for Facilities (2002)
• FAAFAA 6950.19APractices & Procedures for Lightning Protection, Grounding, Bonding and Shielding Implementation (1996)
• NASAE0012EStandard for Facility Grounding and Lightning Protection (2001)
• National Weather Service30-4105Lightning Protection, Grounding, Bonding, Shielding and Surge Protection Requirements (2004)
• APIAPI-2003American Petroleum Institute Protection Against Ignitions Arising out of Static, Lightning, and Stray Currents (2008)
• British StandardBS6651Protection of Structures against Lightning (1992)
• Indian StandardIS2309Protection of Buildings and Allied Structures Against Lightning - Code of Practice (1989)(in English)
• Polish StandardPN86Lightning Protection of Structures(in Polish)7th
• AS/1768Australian Code, Lightning Protection (2004)
• Chinese Code GB50057-94Design Code for Lightning Protection of Structures(in English)
• Russian CodeRD 34.21.122-87Design Code for Buildings and Structures

En la parte 2 veremos como plasmar las zonas de protección en un plano en AUTOCAD.

NOTA: Los dibujos en 3D fueron hechos con http://sketchup.google.com/