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.
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