Sistema de pararrayos

SISTEMAS DE PUESTA A TIERRA
- TEORÍA, DISEÑO, MEDICIÓN y MANTENIMIENTO -
5. Puesta a Tierra de Protección Atmosférica

Índice

5.1 DESCARGAS ATMOSFÉRICAS [5.4] y [5.12].
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 denube 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, por lo que no los tomaremos en cuenta enlo subsiguiente. En la referencia http://sky-fire.tv/index.cgi/spritegallery.html pueden verse fotografías de ellos y de los fenómenos electroatmosféricos llamados "sprites" y "elves"
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 rompimientodieléctrico 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 descargahacia arriba de partículas positivas, aún desde una parte metálica debajo de una torre.

La figura muestra el rayo producido por una nube cargada negativamente contra tierra según el modelo de Hasbrouk [5.2].

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, mientrasque 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. Aconsecuencia 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, deacuerdo con los datos del Sr. R. B. Bent [5.7].  El Electric Power Research Institute (EPRI) en su Transmission Line Reference Book, 345 kV and above. 2da. Edición, Págs. 545-552, maneja una magnitud promedio de una descarga negativa de 31 kA, con una pendiente promedio máxima de 24.3 kV/us. Y para las descargas que siguen a la primera,  una magnitud menor aunque más rápidas, con un promedio de39.9 kV/us, y hasta 70 kV/us ha sido registrado.
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...