Tecnico Superior Electricidad Industrial

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 enel 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 noencontré 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 corrientetípica 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, poreso 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 descargassubsecuentes
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 PuntaFranklin, 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...