sistemas de proteccin frente alrayo (SPCR), se ha visto reforzadapor la edicin de las normas UNE21 185 y 21 286, la primera indi-cando los principios generales dela proteccin de las estructurasfrente al rayo, en corresponden-cia con la norma CEI 61024-1(1990), y la segunda haciendoreferencia al empleo de pararra-yos con dispositivo de cebado(PDC), en correspondencia conla norma francesa NF C 17-102(1995).

Como indican ambas normas,en sus introducciones respecti-vas, ningn sistema de protec-cin contra rayos puede evitar laformacin de los mismos, ni re-

El principio de la proteccincontra rayos est basado en losexperimentos de Franklin y con-siste en atraer la descarga elc-trica, por medio de un pararra-yos, y proporcionarle un cami-no a tierra de valor bajo de im-pedancia, de manera que la cir-culacin de la corriente a tierrase realice sin influencias en laspersonas y bienes, teniendo encuenta que las descargas llevanconsigo, adems de las accioneselctricas, las trmicas y mecni-cas debidas al alto valor de lacorriente de las descargas.La regulacin en Espaa de los

1. Introduccin

La proteccin contra elrayo en la normativaespaola

B. Hermoso Alameda, M.Aguado Alonso

Dpto. Ingeniera Elctrica y Electrnica.

Universidad Pblica de Navarra

P.M. Martnez CidIberdrola

Electricidad

Benjamn Franklin (1706-1790), fsico, escritor y polticonorteamericano, cre diversasbibliotecas, un club de debate yuna academia, al tiempo queampliaba sus conocimientos enel campo de la filosofa y de lafsica, en el campo de la electri-cidad, formulando una teorade la electrosttica basada enla existencia de dos clases deelectricidad de caractersticasopuestas, enunciando el prin-cipio de la conservacin de laelectricidad.

Descubri el carcter elctrico de los rayos atmosfricos e inven-to el pararrayos

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73mayo 99

los PDC la norma UNE 21 186contiene, en su anexo C (ensayoy evaluacin de un PDC), el m-todo a emplear para medir elavance de cebado, en laborato-rios de alta tensin, por lo queestos dispositivos deben ir avala-dos por las certificaciones corres-pondientes del laboratorio acre-ditado que ha realizado la pruebaconforme con el procedimientoindicado por la norma.

Con anterioridad al diseo ymontaje de un SPCR, debe tener-se en cuenta el riesgo que tienela estructura en estudio a ser im-pactada por el rayo y a partir del estimar el nivel de proteccin aadoptar. La norma UNE 21 186,en su anexo B, recoge la gua pa-ra estimar este riesgo y el mtodode seleccin del nivel de protec-cin, teniendo en cuenta parme-tros tales como:

- Nmero de impactos de rayosen el terreno por ao y km2 (Ng).Este valor puede valorarse, si nose dispone de datos actualizados,a partir de expresiones en fun-cin de los niveles cerunicos(Tc, das al ao en que se ha o-do el trueno, al menos, una vez).

- Nd (frecuencia anual media deimpactos directos de rayos espe-rada en una estructura).

2. Riesgo

presentan una garanta de pro-teccin absoluta contra ellos,pero si proporcionan los mediospara reducir, de manera signifi-cativa, los riesgos por daos enlas estructuras protegidas.

Dada la diversidad de estructurasexistentes las propias normasmarcan el alcance de sus conte-nidos, siendo vlidos los princi-pios generales en que se apoyan,para aquellas estructuras no reco-gidas directamente en ellas y quean estn pendientes de regula-cin, y as:

- UNE 21 185: su contenido esaplicable al diseo e instalacinde SPCR para estructuras norma-les de hasta 60 m. de altura, nocubriendo:

Ferrocarriles. Sistemas de generacin, trans-porte y distribucin de energaelctrica exteriores a una estruc-tura. Sistemas de telecomunicacinexteriores a una estructura. Vehculos, navos, aeronaves einstalaciones en el mar.

- UNE 21 186: especifica que sucontenido es de aplicacin, aligual que la UNE 21 185, a las es-tructuras corrientes de altura infe-rior a los 60 m. matizando, ade-ms de las estructuras corrientes,las zonas abiertas (reas de alma-cenamiento, reas de ocio, etc.),para lo que cita algunas estructu-ras en la que son necesarias unSPCR:

Edificios o zonas abiertas conconcurrencia de pblico. Edificaciones de gran altura y,en general, construcciones eleva-das (pilares, depsitos de agua,faros, etc.). Construcciones y depsitos enlos que se manipulen y/o con-tengan materiales peligrosos (ex-plosivos, inflamables, txicos,etc.). Edificios que contengan equi-pos o documentos especialmentevulnerables o valiosos (instalacio-nes de telecomunicacin, ordena-dores, archivos, museos, monu-mentos histricos, patrimonios cul-turales, etc.) y, en general, estruc-

turas utilizadas para fines comer-ciales, industriales, agrcolas, admi-nistrativos o residenciales.

Para conseguir la proteccin am-bas normas consideran dos siste-mas de proteccin:

Sistema externo, que compren-de dispositivos captadores, deri-vadores o bajadas y toma de tie-rra. Sistema interno, que compren-de los dispositivos que reducenlos efectos electromagnticos dela corriente de descarga atmosf-rica dentro del espacio a prote-ger, por medio de las conexionesequipotenciales y las distanciasde seguridad.

Diferencindose, fundamentalmen-te, en que mientras la UNE 21185, en el sistema externo, con-sidera como elementos capta-dores:

- Varillas o puntas captadoras.- Conductores tendidos o lneascaptadoras.- Mallas de conductores o mallascapatadoras.

La UNE 21 286 hace referencia ex-clusivamente a las puntas capta-doras con dispositivo de cebado(PDC), que proporcionan unavance en el cebado t (s)), au-mentando su radio de proteccinrespecto a los normales (PR).

Debido a estas caractersticas de

CEI 61024/1 Ng = 0,04 Td1,25 UNE 21 186 Ng = 0,02 Td1,67

Westhinghose Ng = 0,06 Td1,5

Pierce N2g = 0,03 Td + 0,032 T4d

Popolansky Ng = 14,71 Td1,67 (Europa)Ng = 14,71 Td1,3 (Tierra)

Tabla I. Valores de Ng

Td/ ao 5 10 15 20 25 30 35 40 45

Ng/km2, ao 0,3 0,9 1,8 3 4,3 5,8 7,6 9,5 11,5

Valores de Ng UNE 21 186

El valor se estima por la expre-sin:

Nd = Ng . 1,1 .Ae . C1 . 10-6 (2.1)

1,1: Coeficiente de seguridad li-gado a la evolucin de los ra-yos.

Ng: Nmero de impactos de ra-yos en el terreno al ao y porkm2.

Ae: Superficie de captura equiva-lente de la estructura aislada(m2)

C1: Coeficiente relacionado conel entorno (Tabla II)

- Ae (Superficie de captacinequivalente - Superficie sobre elsuelo que tiene la misma proba-bilidad anual que la estructura derecibir el impacto directo del ra-yo).

- Superficies aisladas: Superficiecomprendida entre las lneasobtenidas por la interseccinentre la superficie del suelo yuna lnea pendiente 1:3 que pa-sa por el punto ms alto de laestructura y de la vuelta a sta(Fig. 1).

- Estructuras rectangulares:(Longitud l, ancho a, alturah).

El valor est dado por la expre-sin:

Ae = a . l + 6 h (l + a) + 9 h2 (2.2)

- Nc (frecuencia anual mediaaceptable de rayos sobre unaestructura). La valoracin se ha-ce teniendo en cuenta los con-ceptos que a continuacin seindican por medio de los coefi-cientes Ci correspondientes a:

Tipo de construccin.(C2) Tabla III.

Contenido de la estructura.(C3) Tabla IV.

Ocupacin de la estructura.(C4) Tabla V.

Consecuencias sobre el entor-no (C5) Tabla VI.

mediante el coeficiente:

C = C2 . C3 . C4 . C5 (2.3)

expresndose el valor de Nc

74

Situacin relativa a la estructura C1

Estructura situada en un espacio donde hay otras estructuras o rboles de la misma altura o ms altos. 0,5

Estructura rodeada de estructuras ms bajas. 0,75

Estructura aislada. 1

Estructura aislada situada sobre una colina o promontorio. 2

Tabla II

TejadoMetal Comn InflamableEstructura

Metal 0.5 1 2

Comn 1 1 2,5

Inflamable 2 2,5 3

Tabla III. C2 Coeficiente de estructura

Fig. 2

Fig. 1

Fig. 3Instalacin

exterior - interior

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por la expresin:

Nc = 3.10-3/C (2.4)

- Los efectos de los parmetrosde rayo, tales como: Opticos. Acsticos. Electroqumicos. Electrodinmicos. Radiacin electromagntica. Trmicos.

En la etapa de diseo y montajese han de tener en cuenta lossistemas externos e internos,conforme a la disposicin de loselementos (Fig. 3); de maneraque, a su vez, se minimicen losfenmenos de induccin por lacercana entre las bajantes a tie-rra y las estructuras, que puedendar lugar a la formacin de bu-cles abiertos con estructuras ta-les como, tuberas de agua, ca-lefaccin central, alimentacinelctrica, etc., teniendo en cuen-ta que para la situacin de loselementos captadores es precisoconocer la evolucin de la des-carga y manejar mtodos talescomo:

- Angulo de proteccin (a)- Esfera rodante (distancia de ce-bado d(m))- Mallado o retcula (dimensinde la malla) (Tabla VII).

Derivados de la teora de los mo-delos electrogeomtricos.

3.1. Modeloelectrogeomtrico

Con el fin de estudiar el proce-so de conexin entre las descar-gas atmosfricas y las estructu-ras en el suelo, en los aos 50 seestableci un modelo matemti-co, llamado electrogeomtrico,de aplicacin a las descargas ne-gativas descendentes, basado enla propagacin del precursornegativo, representado por unalnea cargada, con leyes varia-

3. Proteccin

Sin valor o no inflamable 0,5

Valor comn o normalmente inflamable 2

Gran valor o particularmente inflamable 5

Valor excepcional, irremplazable o muy inflamable, explosivo 10

Tabla IV. C3 Contenido de la estructura

No ocupada. 0,5

Ocupada normalmente 3

De difcil evacuacin o riesgo de pnico. 7

Tabla V. C4 Ocupacin de la estructura

Instalacin exterior Instalacin interior

a) PDC f) conexiones equipotenciales

b) conductores de bajada g) conductor de proteccin o de equipotencialidad

c) junta de control por conductor de bajada h) barras de equipotencialidad.(manguito seccionador o puente

i) proteccin contra sobretensionesde comprobacin)

d) toma de tierra por conductor de bajada j) puesta a tierra

e) uniones equipotenciales entre tomas de tierra k) borne de tierra

l) conexin directa o vas de chispas

con la descarga ascendente, cu-yo origen est en la estructura oen el terreno, dando lugar a unadescarga de intensidad I, debidoa que el campo elctrico en lasuperficie de la estructura o delterreno, bajo la accin de la des-carga elctrica descendente, al-canza un valor crtico, que pro-duce el cebado de la capa de ai-re que separa a ambas descargas(descendente y ascendente) yque una carga descendente Qde 1C da lugar a una corrientede retorno 20 kA.

La distancia de cebado est rela-cionada con la intensidad crestade la corriente de retorno pormedio de la expresin, desarro-llada por el grupo de trabajo33.01 de CIGRE (Fig. 6).

2d(m) = 10 I 3 (kA) (3.1)

3.1.2. ESFERA RODANTE

En base al concepto de distanciade cebado se aplica el mtodode la esfera rodante. Haciendorodar una esfera, de radio el co-rrespondiente a la distancia decebado que se pretende estu-diar, las descargas incidirn enaquellos puntos en que la esferatoca a la estructura o quedan ex-teriores y a ms altura del volu-men de la esfera de radio d.

Ya que la distancia de cebadodepende de la intensidad de ladescarga hay que considerar loscasos en que la altura h de la es-tructura es superior o inferior aesta distancia d.

- h > d, quedan zonas de la es-tructura sin proteger, ngulo aigual a cero.- h < d, la esfera toca a la su-perficie formando un ngulo ade proteccin, variable, por loque es importante conocer, nosolamente si hay muchos o po-cos rayos en la zona, sino el va-lor de la corriente para la que seadopta la proteccin.

El ngulo de proteccin () sepuede determinar de acuerdocon la expresin

bles segn los diferentes autores(reparto uniforme, reparto uni-forme con carga puntual en elextremo del precursor, repartoexponencial), que desciende enlnea recta desde la nube al sue-lo, y en el campo elctrico indu-cido en las estructuras situadasen la superficie del terreno, queal alcanzar el valor de cebadoproduce la descarga positiva,para finalmente producirse launin de las dos, salvando una

distancia, tanto mayor cuantomayor es la carga del precursornegativo, con conceptos talescomo los expresados en la figu-ra 4.

3.1.1. DISTANCIA DE CEBADO

Distancia mxima (d), medidadesde la parte superior de unaestructura o desde el terreno,que una descarga descendente,de carga Q, salva para unirse

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Nivel d(m) H(m) 20 30 45 60 Dimensin de proteccin de las mallas (m)

I 20 25 * * * 5

II 30 35 25 * * 10

III 45 45 35 25 * 10

IV 60 55 45 35 25 15

(*) Se emplea la esfera rodante y la malla en estos casos.

Tabla VII. UNE 21 185 Tabla I. Colocacin del dispositivo captador

Sin necesidad de continuidad en el servicio y alguna 1consecuencia sobre el entorno

Necesidad de continuidad en el servicio y alguna consecuencia sobre el entorno 5

Consecuencias para el entorno. 10

Tabla VI. C5 Consecuencias sobre el entorno

Fig. 4.Evolucin dela descarga

77mayo 99

d h hsen = = 1 - (3.2)

d d

siendo tanto mayor el ngulo deproteccin, para una altura h dela estructura, cuanto mayor es ladistancia de cebado (d), y dismi-nuyendo conforme la descarga esde menor intensidad, segn pue-de verse en la Tabla VIII que co-rresponde a una estructura de 20m. de altura.

La aplicacin del mtodo a unaestructura compuesta y dotada deun pararrayos, permite observarlas zonas suceptibles de ser im-pactadas y las zonas protegidas,as como establecer las puntascaptadoras que pueden disponer-se para la proteccin completa dela estructura, teniendo en cuentaque cuanto menor sea la descar-ga que se presente, menor ser elradio de la esfera, aumentando eltamao de la zona susceptible deser impactada, siendo de consi-derar los impactos laterales quese pueden producir en los para-mentos verticales (Fig. 8).

Aunque las lneas de transportede energa estn fuera del alcan-ce de las normas, no lo estn losprincipios de los modelos elec-trogeomtricos, por lo que unaaplicacin de los mismos al Re-glamento de Lneas Areas deAlta Tensin en su art. 9 (cablesde tierra), que indica que cuan-do se empleen cables de tierra

Fig. 5.Distancia

de cebado

Fig. 7. Angulos deproteccin

Fig. 6.

I(kA1.0005.000

10.00020.00030.00040.00050.00060.00070.00080.00090.000

100.000150.000200.000250.000300.000350.000

d(m)10.00029.39746.77474.42097.650118.41137.50137.50172.27188.40203.86218.78287.07348.09404.22456.74506.44

para la proteccin de la lnea, serecomienda que el ngulo queforma la vertical que pasa por elpunto de fijacin del cable detierra con la lnea determinadapor el punto y el conductor, noexceda de 35, nos indica que,de acuerdo con la expresin:

d H Hsen= = 1 - = 35 d d

H 0,574 = 1 - (3.3)d

d = 2,345H

una torre de transporte de 30 mde altura, estara protegida paradescargas iguales o superiores a18,659 kA, siendo necesario dis-minuir el ngulo de proteccin sien la zona las descargas son infe-riores (5 - 10 kA)(Tabla IX, Fig. 9).

- Disponer de un sistema deproteccin contra rayos no ga-rantiza la proteccin absoluta depersonas, estructuras u objetos;pero la aplicacin de normas re-duce de forma significativa elriesgo de los daos producidos.

- A la hora de adoptar un siste-ma de proteccin contra el rayoes necesario calcular el riesgode la estructura.

- Los modelos electrogeomtri-cos son herramientas tiles paradeterminar la proteccin contrarayos de las estructuras, siendoimportante conocer las intensi-dades de la zona donde han decolocarse las protecciones.

[1] Lightning proteccion code.ANSI/NFPA 78 (National Fire ProtectionAssociation).

[2] Bonamy A. y Ott, R. La protection desinstallations au sol contre les effets de lafoudre. EDF - DER, 1994, HM-25/94/013/A, (1994).

5. Bibliografa

4. Conclusiones

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h(m) d(m) I(kA)

20 10 1 -

20 29,397 5 18,64

20 46,774 10 34,92

20 74,42 20 46,86

20 97,65 30 52,67

Tabla VIII.

H(m) d(m) I(kA)

15 35,175 6,5971

20 46,9 10,157

25 58,625 14,195

30 70,35 18,659

35 82,075 23,513

Tabla IX.

Fig. 8. Esfera rodante

Fig. 9. Esfera rodante

[3] Dellera, L. y Garbagnati, E. Lightningstroke simulation by means of the leaderprogressin model. Part 2: Exposure andshielding failure evaluation of everhead li-nes with assesment of applicationsgraphs. IEEE Trans. on Power Delivery,vol.5, pg. 2023, octubre (1990).

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