PROTECCIÓN CONTRA DESCARGAS ELÉCTRICAS ATMOSFÉRICAS

INTRODUCCIÓN

“Alcanzado por un rayo”, es una metáfora para lo inesperado, un desastre impredecible. Una gran tormenta eléctrica, puede producir hasta 100 descargas por minuto y lo mismo, una pequeña nube de tormenta puede generar la energía de una pequeña planta de fuerza nuclear (unos pocos cientos de megawatts). No todos los rayos son a tierra, pero cuando esto ocurre, esa energía puede ser devastadora. Una empresa de Telecomunicaciones, puede salir de operación por horas o por días debido a daños en el equipo, o una planta petroquímica puede tener incendios originados por rayos, con peligrosos riesgos y elevados costos.

Hasta hace relativamente poco tiempo, muy poco se podía hacer para minimizar esos riesgos. Cuando ocurrían y donde ocurrirán descargas eléctricas atmosféricas. Tradicionalmente, la protección contra rayos ha pretendido atraer y desviar la energía de una descarga eléctrica atmosférica hacia la tierra física. Al mismo tiempo que esto puede eliminar algunos de los graves efectos de un impacto directo, resultan otras desventajas y serios inconvenientes.

Ninguno de los sistemas tradicionales son 100% efectivos, y todos ellos son afectados por los efectos secundarios en relación a la proximidad con los campos electrostáticos y campos electromagnéticos. Todos ellos son peligrosos, especialmente, en áreas donde se manejan productos flamables, explosivos y equipos electrónicos.

Una pregunta sin respuesta es: en primer lugar, ¿porqué atraer un rayo cuando estos crean efectos secundarios peligrosos que puede eliminarse? LEC ha demostrado que es posible eliminar los rayos totalmente y en consecuencia, eliminar todos los riesgos relacionados con ellos.

Desde 1971, el Sistema de Arreglo de Disipación ® DAS ® de LEC, ha demostrado su efectividad como sistema garantizando eliminar los rayos dentro del área protegida. En plantas químicas, plantas nucleares de generación de energía, refinerías e instalaciones petroleras y muchas otras instalaciones, los sistemas de LEC, han demostrado que las pérdidas y daños relacionados con los rayos son completamente previsibles (Ver Tabla 1).

Tabla 1

Muestra Histórica del DAS en Estaciones de Radio

Interrupciones Anuales Años Localización

Antes Después 12 Ninguna 19 Windsor, Ontario 5+ Ninguna 16 Omaha, Nebraska 4+ Ninguna 13 Fresno, California 4 Ninguna 9 Winston, Carolina del

Norte 15 Ninguna 8 St. Francis, Dakota del Sur Múltiples Ninguna 12 Las Vegas, Nevada 8 Ninguna 14 Ft. Myers, Florida 20 Ninguna 15 Durango, Colorado 25 Ninguna 12 Dayton, Ohio Múltiples Ninguna 10 Puerto Rico

Esta relación presenta una breve explicación de la actividad eléctrica atmosférica, el fenómeno de los rayos y los problemas relacionados con los mismos. Con estos datos estadísticos como antecedente, los diferentes métodos de PROTECCIÓN contra Descargas Eléctricas Atmosféricas de LEC están documentados, y junto con los estudios de cada caso, se han ofrecido para mostrar como se han puesto en práctica. 1

¿CUÁL ES EL PROBLEMA?

No hay duda acerca del peligro que implican los rayos y sus efectos asociados. Incendios, lesiones o pérdida de la vida, daños y destrucción a propiedades, pérdidas significativas de tiempo y de dinero por salidas de operación, debidas a daños en los equipos, todo esto convierte a los rayos en una seria amenaza. En tanto que los efectos directos de un rayo son obvios, los efectos secundarios pueden resultar devastadores. Esto resulta especialmente cierto para líneas de energía e instalaciones con equipo electrónico que es muy sensible.

Efectos Directos

Los efectos directos de un rayo son la destrucción física causada por el impacto de los que pueden resultar incendios. Cuando un impacto directo golpea una instalación donde hay materiales combustibles, pueden estar expuestos al rayo, al canal del rayo o al efecto de calentamiento del rayo.

Las estadísticas de la industria petrolera, registran amplia evidencia de la naturaleza destructiva de los rayos. Millones de dólares en pérdidas se registran cada año por la destrucción de plantas petroquímicas y muchas otras instalaciones, por los fenómenos relacionados con las descargas eléctricas atmosféricas en muchas partes del mundo, además de pérdidas de vidas

cuando esas instalaciones se incendian o explotan. Por ejemplo, en 1990, en Nigeria se incendió un área de tanques de almacenamiento a causa de un rayo, quemándose totalmente un tanque de 670000 barriles de petróleo crudo. El tanque estaba lleno, con la pérdida total del producto y el tanque. Este tanque estaba “protegido” con un sistema radioactivo convencional, lo que demostró claramente que estos sistemas de protección tradicionales no son suficientemente efectivos.

Es verdad que el riesgo de la pérdida de un tanque de almacenamiento de productos derivados del petróleo, es pequeño. Pero también es cierto que cuando llega a ocurrir un siniestro, se pone en riesgo toda el área de tanques, no solamente el tanque siniestrado.

Efectos Secundarios

Los efectos secundarios de un impacto de rayo directo o cercano a una instalación incluye; la carga electrostática, los pulsos electromagnéticos, los pulsos electrostáticos, las corrientes de tierra y el sobrevoltaje transitorio. La carga electrostática (y consecuentes arcos secundarios) es lo más común. (Estos efectos son discutidos con más detalle en la siguiente sección a cerca del mecanismo del rayo).

Datos estadísticos indican que los efectos secundarios, son la causa de la mayoría de los incendios reportados actualmente en instalaciones petroleras. Estos incendios con frecuencia se extinguen por sí mismos hasta que se aislan o consumen los vapores de combustión. Por ejemplo, la carga electrostática y los pulsos electromagnéticos inducen altos voltajes transitorios en cualquiera de los conductores eléctricos que se encuentren dentro del área de influencia de esos transitorios. Estos transitorios causarán arqueos entre alambres o cables conductores y entre tuberías y tierra. Los arcos o chispas de corriente electrostática en un punto vulnerable, pueden iniciar incendios o explosiones.

Los gases ventilados a la atmósfera por chimeneas que normalmente no son quemados en su totalidad, serán incendiados como resultado de los arcos eléctricos de los efectos secundarios. La compañía PPG de Lake Charles, Louisiana, experimentó por años este fenómeno en sus chimeneas que normalmente ventean hidrógeno. Cuando se instalaron en su plantas Arreglos de Disipación (DAS), no tuvieron más problemas por la ignición del hidrógeno a causa de los rayos.

Los efectos secundarios no siempre son fácilmente identificados como la causa o el mecanismo del rayo. La protección convencional no influirá en ninguno de los efectos secundarios, excepto que aumenta el riesgo de un evento. Las puntas pararrayos o terminales aéreos atraen el rayo y fortalecen una terminación del impacto muy cerca de los materiales combustibles.

Además, la tendencia hacia la microminiaturización en el desarrollo de los Sistemas Electrónicos, trae como consecuencia que sean más sensibles a los fenómenos transitorios. Transitorios de menos de 3 volts en el pico o niveles de energía más bajos que 10 ­7 Joules, pueden dañar o “confundir” esos Sistemas y sus componentes.

Líneas de Energía

Las anomalías en los voltajes de líneas de energía son la causa más grave de destrucción y disturbios que día a día sufren en su operación los equipos eléctricos y electrónicos.

Existen cuatro fuentes básicas de falla: las descargas eléctricas atmosféricas, el servicio eléctrico local, los sistemas eléctricos vecinos y el equipo eléctrico propio de la instalación. Cada uno de estos factores pueden crear sus propias formas de anomalías. De todas estas fuentes de falla, el rayo es obviamente la mayor amenaza, el que representa el mayor riesgo, en términos de potencial destructivo y fenómeno de falla. Un impacto de rayo directo en la línea de energía en la entrada del servicio, puede causar daños muy graves dentro de las instalaciones que no están protegidas o que están mal protegidas. Una instalación protegida adecuadamente contra descargas eléctricas atmosféricas, también está protegida contra otras anomalías en el sistema eléctrico.

Una lejana posibilidad, es que se presente la Ley de Murphy – lo inesperado, lo inusual, o lo “imposible”. Por ejemplo: que un vehículo choque contra un poste de una línea de energía de 220 kV y que los cables caigan sobre otra línea de 4,160 kV momentáneamente y que esta línea sea el alimentador principal de la instalación. El resultado serían altos voltajes y grandes sobrecargas hacia los usuarios de esas fuentes de energía.

Aunque las causas de las anomalías en una línea de energía pueden variar significativamente de acuerdo con su localización, los resultados son los mismos. Los equipos fallarán inmediatamente o se degradarán en poco tiempo. Las fallas pueden ser catastróficas y de alguna manera, en poco tiempo, se requerirá la reposición, la reparación, la reprogramación, o el rearranque del programa en ejecución. Cualquiera de estos eventos puede originar pérdida de tiempo y de dinero. Todos estos eventos pueden ser eliminados con el acondicionamiento apropiado del equipo de fuerza, adecuadamente instalado y mantenido. La mayoría de estos eventos pueden ser eliminados por medio del uso de equipo de protección relativamente barato.

¿CÓMO OPERA UNA DESCARGA ELÉCTRICA ATMOSFÉRICA (RAYO)?

Desde el primer momento en que se tiene conocimiento de que un rayo es una descarga eléctrica, científicos e ingenieros han estudiado e investigado

con profundidad las tormentas y descargas eléctricas atmosféricas (sin embargo, la protección contra los rayos no ha cambiado substancialmente desde los tiempos de Benjamín Franklin). Después de siglos de estudios e investigaciones, nuevos y sofisticados instrumentos que han aportado grandes conocimientos, todavía hay muchas incógnitas acerca de este fenómeno que no ha sido claramente entendido. Para entender como opera la protección contra descargas eléctricas atmosféricas y cuál es el sistema más adecuado para diferentes aplicaciones, es necesario un análisis de lo que es el fenómeno. 2

Mecánica del Rayo

Las nubes de tormenta son cuerpos cargados eléctricamente, suspendidos en una atmósfera que puede considerarse, en el mejor de los casos, como un conductor pobre. Durante una tormenta, ocurre una separación de cargas dentro de la nube. El potencial en la base de la nube, generalmente se considera alcanza cerca de cien millones de volts y el campo electrostático resultante es de 10 kV por metro de elevación sobre la superficie de la tierra. El proceso de carga (o separación de carga) dentro de la célula de tormenta, generalmente deja a la base de la nube con una carga eléctrica de polaridad negativa, sin embargo, en muy raras ocasiones, llega a ocurrir lo contrario.

Esta carga resultante, induce una carga similar de polaridad positiva en la tierra, concentrándose en la superficie, justo en el rastro o la sombra que deja la nube y más o menos, con el mismo tamaño y forma de la nube (Ver figura 1).

A medida que la tormenta crece en intensidad, la separación de carga continúa dentro de la nube, hasta que el aire entre la nube y la tierra no puede actuar más como aislante eléctrico. El punto de ruptura específico varía con las

condiciones atmosféricas.

Figura 1: Separación de Cargas

Las formaciones de relámpagos de baja intensidad llamadas “paso líder”, se mueven de la base de la nube hacia la Tierra. Estos pasos son de más o menos la misma longitud, y esa longitud está en relación directa con la carga eléctrica en la célula de la tormenta (la nube) y la corriente pico del rayo. Estos pasos líder, varían en longitud de 10 metros a más de 160 metros, para una descarga eléctrica de polaridad negativa. A medida que los pasos líder se acercan a la tierra, el campo eléctrico entre los pasos líder se incrementa con cada paso. Finalmente, a casi un paso de distancia de la tierra (o en una instalación sobre la tierra), se establece una “zona de impacto”, como se ilustra en la Figura 2. Una zona de impacto en forma de hemisferio, con un radio igual a la longitud de un paso líder. El campo eléctrico dentro de la zona de impacto es tan grande, que crea “streamers” o flámulas, moviéndose hacia arriba desde los objetos que están sobre la tierra. El primer streamer que alcance al paso líder, cierra el circuito eléctrico e inicia el proceso de neutralización de la carga eléctrica de la nube.

Figura 2: Zona de Impacto

Cuando se encuentran estructuras entre la tierra y la célula de tormenta (nube), esas estructuras se cargan eléctricamente. Puesto que elllas acortan una parte de la separación del espacio de aire, ellas pueden disparar un rayo, ya que la estructura reduce una porción significativa del espacio de aire intermedio.

La neutralización de la carga (el rayo), es causada por el flujo de electrones de un cuerpo a otro, de tal manera que como resultado, no hay una diferencia de potencial entre dos cuerpos (Ver Figura 3). El proceso crea el

mismo efecto que se tiene cuando se acercan las terminales de una batería. Un arco eléctrico.

Figura 3: Neutralización de la carga eléctrica (“Rayo”)

Efectos Secundarios

El relámpago se define como el resultado de un canal ionizado de una descarga eléctrica atmosférica; un rayo es una sobrecorriente en ese canal. Hay cuatro diferentes efectos secundarios que acompañan a un relámpago. Estos son:

• ∙ Pulsos Electromagnéticos (EMP) • ∙ Pulsos Electrostáticos • ∙ Corrientes Transitorias de Tierra • ∙ Carga Electroestática

Pulsos Electromagnéticos

Los pulsos electromagnéticos, son el resultado de los campos electromagnéticos transitorios que se forman por el flujo de corriente, através del canal de descarga del rayo. Después de que se establece el canal de descarga del rayo entre la nube y la tierra, llega a formarse un camino tan conductivo como un conductor eléctrico. La corriente de neutralización comienza a fluir rápidamente, en relación directa con la impedancia en el canal de descarga y la carga eléctrica de la nube de tormenta. La relación de crecimiento de estos pulsos de corriente, varía en órdenes de magnitud. Ellos han sido medidos en niveles de arriba de 510 kA por microsegundo. Un promedio práctico, podría ser de 100 kA por microsegundo.

Las corrientes que fluyen através de un conductor, producen un campo magnético en relación a las mismas. Ya que estas corrientes de descarga

crecen rápidamente y alcanzan corrientes pico de cientos de miles de amperes, los pulsos magnéticos que ellos crean pueden ser muy significativos. El voltaje inducido resultante (EMP) dentro de cualquier grupo donde existen varios cables que corren paralelamente, puede también ser muy significativo (Ver figura 4). Figura 4: Canal de Descarga del Rayo (EMP)

A medida que las nubes se cargan eléctricamente, aparece un paso líder hacia abajo en la base de la nube de tormenta. Conforme el paso líder descendente se acerca a la tierra, otro paso líder ascendente lo alcanza, y entonces ocurre el rayo de retorno. Un descomunal aumento de carga acompaña a este rayo de retorno, la cual actúa como una gigantesca antena de onda viajera, generando potentes ondas de pulsos electromagnéticos. Por lo que, los EMP de una descarga eléctrica atmosférica, pueden propagarse a grandes distancias y afectar grandes áreas (Ver Tabla 2).

Tabla 2

Datos del Rayo de Retorno de una Descarga Eléctrica Atmosférica

Corriente 1 de Retorno 5 kA – 200 kA di/dt 7.5 kA/ s a 500 kA/ s Velocidad 1/3 velocidad de la luz Longitud (altura de las nubes de tormenta)

3 – 5 km. Sobre la superficie

Cualquier línea de transmisión o de datos aérea, también sufrirá o será afectada por las interferencias de los EMP, derivados de una descarga eléctrica atmosférica, a pesar de que esté blindada. Los EMP de un rayo, tienen un amplio espectro y la mayor parte de su energía está en la banda de baja frecuencia. De ahí que, los EMP de un rayo puedan penetrar el blindaje y causar interferencias en el sistema.

Los EMP también tienen relación con los efectos secundarios que resultan del flujo de corriente en el sistema de tierras. En esta situación, el rápido cambio de corriente en relación al tiempo (di/dt) crea un campo magnético, el cual será inducido a cualquier línea subterránea que pase cerca, o vaya paralela en cualquier tramo del sistema de tierras. Resumiendo, la cercanía de cables o alambrado subterráneo que se cruce o corra paralelamente, da como resultado la transferencia de energía (EMP). (Ver Figura 5). Esa energía no siempre causa daño en la acometida del servicio eléctrico; sin embargo, siempre resultará muy alta y será suficiente para dañar a los circuitos de las líneas de datos.

Figura 5: EMP de Corriente de Tierra

Pulsos Electrostáticos

Los transitorios atmosféricos o pulsos electrostáticos, son el resultado directo de la variación del campo electrostático que acompaña a una tormenta eléctrica. Cualquier conductor suspendido sobre la superficie de la tierra, está inmerso dentro de un campo electrostático y será cargado con un potencial en relación a su altura (i.e. tantas veces la altura por la intensidad del campo), sobre la superficie de la tierra. Por ejemplo, una línea de distribución o telefónica aérea, a una altura promedio de 10 metros sobre la tierra, en un campo electrostático medio, durante una tormenta eléctrica, se cargará con un potencial de entre 100 kV y 300 kV con respecto a la tierra. Cuando ocurre la descarga (rayo), esa carga deberá moverse hacia abajo en una línea, buscando un camino a la superficie de la tierra. Cualquier equipo conectado a esa línea, proveerá el camino hacia la tierra. A menos que ese camino esté protegido adecuadamente, será destruido durante el proceso de la descarga a tierra para neutralizarse. Este fenómeno es conocido como transitorio atmosférico inducido. La elevación y caída de voltaje electrostático, también está relacionado con los pulsos electrostáticos (ESP). (Ver Figura 6).

Figura 6: Pulsos Electrostáticos

De acuerdo con la teoría electromagnética, las cargas estáticas, se acumulan en la superficie de cualquier objeto sobre la tierra. La densidad de carga es proporcional a la magnitud de esos campos electrostáticos. A mayor densidad de carga, mayor es el riesgo de una terminación o alcance de un paso líder.

Una estructura metálica vertical inmersa en estos campos electrostáticos, especialmente, aquellas que terminan en forma de punta, tienen una considerable diferencia de potencial con respecto a la tierra. Si la estructura no está aterrizada, puede causar arcos eléctricos y en algunos lugares con clasificación de alto riesgo, puede iniciarse un incendio o bien, alterar el funcionamiento o incluso dañar al equipo electrónico, generalmente, muy sensible.

Corrientes de Tierra

La corriente transitoria de tierra es el resultado directo del proceso de neutralización que sigue a un impacto de rayo. El proceso de neutralización, es consumado por el movimiento de la carga a lo largo o cerca de la superficie de la tierra, desde el punto donde se induce la carga, hasta el punto donde termina el rayo. Cualquier conductor enterrado o cercano a esa carga, proveerá un camino más conductivo desde el punto donde se inicia, al punto donde termina el rayo. Esto induce un voltaje en relación con la carga, que se maneja en esos conductores, lo cual otra vez está relacionado con la cercanía a donde el rayo se impactó.

Figura 7: Corrientes Transitorias de Tierra

A este voltaje inducido se le llama “corriente transitoria de tierra” y aparece en alambres conductores, tuberías y otras formas de conductores. Si los conductores están blindados, los alambres internos experimentarán la primera inducción de la corriente que fluye por el blindaje. Aunque el proceso de descarga es muy rápido (20 microsegundos) y la relación de crecimiento al pico es tan pequeña como 50 nanosegundos, el voltaje inducido será muy alto (Ver Figura 7).

La terminación de un rayo de retorno en la tierra puede causar los efectos siguientes:

1. 1. Puede causar arqueos através de la tierra a tuberías de gas adyacentes, cables o sistemas de tierra. (Normalmente se considera un gradiente de ruptura de 50 kV/m. Por ejemplo, la resistencia al pie de una torre de energía es de 10 Ohms, la corriente del rayo de retorno es 200 kA, y la distancia de separación mínima es de 40 metros).

2. 2. La corriente de sobrecarga, puede correr por la tierra paralelo al sistema de tierras electrónico existente, lo cual originará una distribución de elevación de potencial de tierra no uniforme (GPR) en el sistema de tierra. Por ejemplo, dos alambres de tierra de 10 metros enterrados con una resistencia de aterrizaje de 31.8 Ohms, están separados a 5 metros. Cuando fluye una corriente de 75 amperes en uno de los electrodos de tierra, los otros electrodos tendrán una elevación de voltaje de aproximadamente 188 volts.

Carga Estática

La causa más común de incendios en instalaciones donde se manejan productos del petróleo relacionadas con rayos, es el fenómeno conocido como “carga estática resultando arcos eléctricos secundarios” (BC/SA).

Para entender el riesgo de BC/SA, es necesario entender como se forma la carga estática y como resultan los arcos secundarios provocando el incendio.

La célula de tormenta induce la carga estática en cualquier estructura inmersa en la tormenta. La carga estática (amperes­segundo) está relacionada con la carga en la célula de tormenta. Debido a que los productos del petróleo generalmente son almacenados en tanques metálicos que son conductores eléctricos, esos contenedores y el producto almacenado se cargan eléctricamente, resultando una diferencia de potencial entre el tanque y la tierra física del lugar. Después de la tormenta, la carga eléctrica del producto se moverá lentamente hacia las paredes del tanque.

La tierra en condiciones normales, tiene carga eléctrica de polaridad negativa con respecto a la ionosfera. Cuando aparece una célula de tormenta entre la Ionosfera y la tierra, la carga positiva es inducida sobre la superficie de la Tierra, neutralizando la carga negativa y cargándose rápidamente con carga eléctrica de polaridad positiva. El Tanque está al mismo potencial de la tierra, positivo antes del rayo, pero instantáneamente, es negativo después del rayo.

Los arcos secundarios, resultan con el repentino cambio de la carga (20 microsegundos) de la pared del tanque (polaridad negativa), y la carga eléctrica de polaridad positiva del producto contenido en el tanque.

El aterrizaje no tendrá una influencia significativa en el potencial del fenómeno BC/SA. La protección contra rayos convencional no puede prevenir la Carga Estática (BC) / Arcos Secundarios (SA), porque no hay un camino de descarga confiable y disponible.

LA SOLUCIÓN DE LEC

Desde 1971, los ingenieros especializados y con experiencia, han desarrollado un sistema de protección contra descargas eléctricas atmosféricas. Mientras que los métodos de protección tradicional contra rayos, pueden adecuarse para algunas instalaciones, en donde se requiere de una protección más completa, LEC ofrece sistemas diseñados para encontrar las soluciones requeridas con mayor exactitud. Donde las normas no son muy específicas o insuficientes, LEC ofrece consultoría y servicios de diseño para crear sistemas para los clientes, que resolverán sus más difíciles problemas de protección.

La ingeniería y una solución más adecuada, es más difícil que la simple instalación de una punta pararrayos. Cada lugar es evaluado por factores de riesgo, posición geográfica, tipo de suelo y muchos otros parámetros, antes de implementar un plan de protección. Por muchas razones, no puede haber una misma solución, sobre todo cuando se trata de una protección contra descargas eléctricas atmosféricas.

Factores de Riesgo

El número Keráunico (días de descargas eléctricas atmosféricas o tormentas eléctricas por año), o nivel Isokeráunico (Isoceráunico), es un índice de medición. Mientras mayor sea el número Keráunico, es mayor la actividad de rayos encontrada en un área. En los Estados Unidos de Norteamérica, varía desde 1 hasta 100. En otras partes del mundo, puede llegar a ser hasta 300. En los Estados Unidos de Norteamérica, hay un promedio de 30 tormentas­día­año a lo largo y ancho del territorio, y muchos rayos ocurren durante una sola tormenta. Los estudios muestran que para un área promedio dentro de los E.U.A., pueden haber entre 8 y 17 impactos por año en un área de una milla cuadrada. En el área central de la Florida, el riesgo se incrementa entre 37 y 38 rayos por milla cuadrada por año.

Las características estructurales tales como altura, forma, tamaño y orientación, también pueden influir en el riesgo. Por ejemplo, estructuras altas tienden a colectar los rayos en el área que las rodea. Mientras más alta es la estructura, mayor será el número de rayos que atrae y colecta. Estructuras altas también provocarían más rayos que de otra manera no ocurrirían. Además, como las nubes de tormenta tienden a viajar a alturas específicas con sus bases a 5000 ó 10000 pies, estructuras en áreas montañosas tienden a provocar rayos más fácilmente.

El sistema factor de exposición para una línea de transmisión es un ejemplo. Considere un tramo de 50 millas de longitud de una línea de transmisión en el área central de la Florida. De acuerdo con datos del Subcomité en Descargas Eléctricas Atmosféricas del IEEE, deberían haber 1500 rayos por año sobre la línea (en total para los alambres y conductores de fase). Doscientos veinticinco de estos, excederían los 80000 amperes, todos en un año promedio.

Opciones en Sistemas de Prevención

Debido a que diferentes instalaciones tienen diferentes tipos de problemas con las descargas eléctricas atmosféricas, es muy importante entender las capacidades y las limitaciones de cada tipo de Sistema de Protección. En la mayoría de los casos, se pueden adaptar uno o más de los productos de LEC, para resolver cualquier problema de protección contra rayos. A continuación, se describen en forma breve, las partes del ionizador estático (disipador), el Circuito Colector de Corrientes de Tierra (CCCT), y diferentes tipos de Supresores de Eventos Eléctricos Transitorios (TVSS). Para mayor información sobre cualquiera de estos productos, favor de llamar a LEC.

Sistema de Arreglo de Disipación (DAS)

La descarga eléctrica atmosférica (rayo), es el proceso de neutralización de carga eléctrica entre la base de la nube y la tierra. Cualquier sistema de prevención de rayos, debe facilitar este proceso lenta y continuamente. El Sistema de Arreglo de Disipación (DAS) ha sido diseñado para PREVENIR un rayo, para proteger al área considerada y al propio sistema. Los componentes del Sistema de Arreglo de Disipación son: el DAS Ionizador ® , los Spline Ball ® Sistema Desviador, y el CHEM­ROD ® o Electrodo de Tierra. Algunos o todos estos componentes, pueden ser usados en el diseño de cualquier sistema de protección en forma específica (Ver Figura 8). Figura 8: Concepto del Sistema de Arreglo de Disipación de LEC

Para PREVENIR una descarga eléctrica atmosférica (rayo) en un área determinada, un sistema deberá ser capaz de reducir el potencial entre el área protegida y la célula de tormenta (nube), de tal manera que el potencial no sea suficiente para provocar el rayo dentro del área. Esto es, que el Sistema de Protección deberá liberar o disipar la carga electrostática inducida por la célula de tormenta en el área protegida, a un nivel de potencial en el que no se puede generar un rayo, ya que el potencial existente es incapaz de romper el dieléctrico del aire.

Los científicos que estudian los fenómenos atmosféricos, han encontrado que mucha de la energía de una tormenta, es disipada a través de lo que han llamado disipación natural, la cual es producida por la ionización de los árboles, del pasto, cercas y otros objetos terminados en punta, ya sean naturales o creados por el hombre, que están sobre la tierra e inmersos en el campo electrostático creado por la nube de tormenta. Por ejemplo, una célula de tormenta sobre el océano, producirá más descargas eléctricas atmosféricas, que la misma célula de tormenta sobre la superficie de la tierra, debido a la disipación natural sobre la tierra, la que reducirá la energía de la tormenta. Consecuentemente, un ionizador multipuntas, es simplemente un dispositivo disipador más efectivo, multiplicando la disipación de la naturaleza, haciéndolo más eficientemente.

El fenómeno de la punta de descarga, fue descubierto hace más de cien años. Se descubrió que cualquier objeto en forma de punta inmerso en un

campo electrostático en donde el potencial se elevaba a más de 10 000 volts, transfería una carga eléctrica por ionización, a las moléculas de aire adyacentes a esa punta.

El Sistema de Arreglo de Disipación, se basa en el fenómeno de la descarga de punta, como un mecanismo de transferencia de carga del área protegida, al área de la atmósfera que le rodea. El campo electrostático creado por la célula de tormenta, alejará esa carga del área protegida, dejando en el lugar un potencial más bajo que en sus alrededores (Ver Figura 9).

Figura 9: La Punta de Descarga como un Mecanismo de Transferencia.

Un fenómeno secundario que se suma a la protección provista por el DAS, es la presencia de la “carga espacio”. Esta carga se desarrolla entre el área protegida y la célula de tormenta y forma lo que se puede considerar un blindaje (una Jaula de Faraday). Las moléculas de aire ionizadas formadas por la punta de descarga, son disipadas por el ionizador a la atmósfera donde se acumulan lentamente, formando una nube de moléculas de aire ionizado (Plasma de Iones) (Ver Figura 10).

Figura 10: El Efecto “Carga Espacio”

El Ionizador DAS

El Ionizador DAS, es un dispositivo multipuntas para producir iones através de miles de puntas simultánea y eficientemente. Como el campo electrostático se está incrementando, una sola punta creará flámulas (streamers) y provocará un rayo. En contraste, el Ionizador multipuntas iniciará el proceso de ionización a algún potencial alto, pero como el potencial está en aumento, la corriente de ionización se incrementa exponencialmente. Como estos iones son dispersados en una gran área, no se generarán flámulas (streamers). En situaciones extremas, se produce una nube luminosa de iones, produciendo un halo luminoso momentáneo, alrededor del arreglo de disipación, y repentinamente, desencadenando un flujo de corriente.

El ensamble del ionizador, es muy sensible a un número de parámetros de diseño, algunos de los cuales pueden reducirse por fórmula y otros no. Estos factores incluyen capacidad o tamaño, forma, elevación, forma de la punta, altura de la punta sobre la superficie del arreglo, espaciamiento de las puntas, rango y velocidad del viento, más las características del lugar y sus alrededores. De tal manera que, el diseño de un sistema efectivo, puede parecer más un arte que una ciencia.

Sistema de Aterrizaje

Un arreglo ionizador solamente, no es suficiente para la protección contra rayos. El sistema debe estar aterrizado. El Circuito Colector de Corrientes de Tierra (CCCT) provee la fuente de carga para mantener el flujo de corriente de iones através del ionizador y la descarga eléctrica del área protegida. El CCCT, está diseñado para proveer un aislamiento eléctrico o un subsistema de tierra flotante, para el área protegida con respecto a la tierra. Como la carga inducida creada por la tormenta está en la superficie de la tierra, la parte de la superficie de la tierra que contiene las instalaciones a protegerse, deberá estar rodeada por el Circuito Colector de Corrientes de Tierra. El CCCT, está compuesto por un circuito en la periferia del área protegida, de cable de cobre desnudo, semiduro, o tubing flexible de cobre de ½” de diámetro, enterrados a una profundidad de 25 cms., y electrodos para tierra de entre 4 y 6 pies de longitud (CR­4 y CR­6), dependiendo del área a proteger, a intervalos de aproximadamente 10 metros. El área cubierta por el CCCT, puede integrarse por una red o malla, a la cual también deben conectarse las estructuras y el Sistema de Tierras.

El Electrodo de Tierra CHEM­ROD, de LEC, tiene una bajísima impedancia de surge, lo cual da como resultado, un ultraeficiente Sistema de

Tierras. Provee la perfecta baja resistencia de interfase con la tierra física, por medio de un acondicionamiento contínuo del terreno que le circunda, usando un compuesto de sales minerales de muy baja resistividad, a lo largo de todo el electrodo, altamente osmóticas y no contaminantes, llamadas GAF. Es tan eficiente, que un solo electrodo CHEM­ROD puede reemplazar a más de 10 varillas de tierra convencionales. El diseño del CHEM­ROD, asegura una estabilidad y eficiencia en el Sistema que virtualmente requiere mantenimiento cada año, y su tiempo de vida rebasa los 20 años.

Al moverse la carga eléctrica dentro del área protegida, su primera interfase es con el CCCT, el cual provee un camino preferencial de este punto de interfase, al disipador o arreglo ionizador, por medio de los cables de servicio, de este modo, esencialmente forma un bypass del área protegida. De esa manera, se crea un flujo de corriente en la superficie de la tierra circundante, lo que causa una caída de voltaje por la resistencia del terreno. De modo que, eléctricamente integrada, se establece un área aislada por el CCCT, en la que el potencial se reduce a un valor mucho más bajo que el que está alrededor del área protegida. Los electrodos de tierra cortos, dan al área aislada un camino suficiente para asegurar la recolección de cualquier carga eléctrica, inducida por la célula de tormenta en el área protegida.

La función del conductor de carga, provee en forma directa, un camino de baja impedancia del CCCT al ionizador. En contraste con un sistema de pararrayos, estos cables de tierra conducen niveles de corriente muy bajos, lo que representa seleccionar conductores de menor calibre, el cual se selecciona atendiendo más a su resistencia mecánica, que a la capacidad de corriente que van a conducir. La máxima corriente que conducen, está en el rango de los miliamperes. Las mediciones efectuadas, indican menos de 0.5 amperes en el momento de máximo flujo através del CCCT (excepto en raras ocasiones).

Lo importante de tener un área aislada eléctricamente y el flujo de una corriente iónica, puede resumirse como sigue:

­ ­ El flujo de corriente desde el ionizador através del espacio de aire arriba, reduce el potencial del área protegida y de la instalación con respecto a sus alrededores, por el drenado de la carga del área protegida, y la transferencia de carga a las moléculas de aire.

­ ­ La presencia de iones libres o “carga espacio” entre la instalación protegida y la estructura de la nube, forma un tipo de blindaje (Jaula de Faraday) entre ellas, formando un aislamiento para la instalación del campo electrostático de la nube de tormenta.

Sistema Desviador Spline Ball ® (SBDS)

LEC también ha implementado en el mercado ionizadores híbridos, los cuales combinan las características del ionizador con los del terminal aéreo. Esto ha llevado al desarrollo de dos productos:

El Módulo Spline Ball Ionizer (SBI) (Ionizador de Esfera Erizada)

El Módulo Spline Ball Terminal (SBT) (Terminal de Esfera Erizada)

Estas dos unidades, están certificadas por UL como “Terminales aéreos” y ambas calificaron como módulos ionizadores. Las puntas múltiples hacen de ellos un ionizador. El espaciamiento adecuado entre puntas, asegura una corriente de ionización óptima, antes de que actúen como “colectores”. También están calificados como “Terminales aéreos” bajo la norma UL­96 A, y por lo tanto, también pueden usarse en cualquier sistema bajo la norma NFPA­780. Ambos dispositivos tienen más de 100 puntas cada uno, los cuales cuando se despliegan, presentan puntas en todas direcciones a 360º en azimuth y aproximadamente a 200º en elevación. Como resultado, independientemente de la orientación del campo eléctrico relacionado con la tormenta o con un paso líder descendente, muchas puntas ionizadoras estarán orientadas directamente hacia él y listas para transferir la carga rápidamente.

Estas formas de módulos ionizadores soportan una gran variedad de aplicaciones. Cuando se usan estos módulos en la cantidad adecuada para reemplazar a los terminales de aire (pararrayos convencionales), los módulos SBI y SBT, convierten a un Sistema Colector Convencional, en un sistema PREVENTOR.

Supresores de Eventos Eléctricos Transitorios (TVSS)

Como se mencionó antes, las sobrecargas en las líneas de voltaje representan a la fuente generadora del fenómeno más destructivo y desestabilizador que el equipo eléctrico y electrónico puedan experimentar día a día durante su operación. Estas anomalías pueden prevenirse o minimizarse en subestaciones eléctricas, líneas de transmisión de energía, en las líneas de alimentación de cualquier factoría o centro administrativo o en líneas de datos internas. Los dispositivos (TVSS) para protección contra eventos eléctricos transitorios de LEC, están disponibles para todas esas aplicaciones. Un sistema PROTECTOR debe PREVENIR instantáneamente pérdidas o fallas catastróficas y proteger la confiabilidad del sistema.

Subestaciones Eléctricas

El supresor de eventos eléctricos transitorios, es un elemento clave en el diseño de subestaciones eléctricas. La efectividad de este subsistema,

determina los requisitos del Nivel Básico de Aislamiento (BIL), para el transformador y los demás componentes. El transformador, es el equipo de mayor costo en una subestación, de tal manera que, reduciendo el BIL de la subestación, puede tenerse un mayor impacto en el factor costo y factor riesgo.

Los requisitos del BIL son primeramente relacionados con el riesgo de sobrecargas o transitorios eléctricos en las líneas de transmisión. La cercanía de una descarga eléctrica atmosférica (dentro de un radio de un kilómetro más o menos), puede tomarse como límite en este caso. Para eliminar el riesgo de una rápida elevación y aumento de la corriente de sobrecarga (surge current), se requieren las características de dos Sistemas de Protección:

­ ­ Prevenir los impactos directos a cualquiera de los componentes operativos de la subestación.

­ ­ Prevenir el paso de elevaciones rápidas de altas sobrecargas de corriente.

Líneas de Energía

Se usan dos clases de preventores para proteger las líneas de energía contra anomalías derivadas de los rayos:

­ ­ Se instalan Protectores en Paralelo entre conductor (es) de fase y tierra (o neutro). Ellos pueden ser: tubos de gas, varistores de metal oxidado (MOVs) y diodos en avalancha, se usan en algunas configuraciones en paralelo. Con frecuencia se usa más de un protector. Las ventajas que se tienen es que son fáciles de instalar y relativamente baratos, pero involucran algunos cuidados para su buen desempeño y efectividad.

­ ­ Protectores Híbridos en Serie, se instalan en serie con los conductores de fase, con algunos dispositivos en paralelo que se usan para disipar la sobrecarga de energía y limitan el voltaje pico. La mayor ventaja es su desempeño. Al insertar un inductor en serie con la línea de energía, se pone una alta impedancia a media distancia de la frecuencia del impulso derivado del rayo (en promedio es igual a 1 MHz). Esto facilita el regreso a los elementos primarios, enviando el grueso de la sobrecarga a tierra y permitiendo a la protección secundaria cortar cualquier voltaje transitorio remanente.

Dentro y Sobre Edificios

La Norma del IEEE (Instituto de Ingenieros Eléctricos y Electrónicos, Inc.) C62.41de1991 fue elaborada para establecer una guía de sobrecargas para aquellos equipos electrónicos que estuvieran expuestos a un ambiente con carga electrostática, dependiendo del lugar de instalación. Esta norma fue revisada en 1991 para reflejar los efectos del lugar en el sistema expuesto. Por

ejemplo, un producto en la Florida donde el número de tormentas día­año es 100, no tendría el mismo riesgo al estar expuesto que el mismo producto tendría en California, donde el número de tormentas día­año es de 5.

Cuando se prueba cualquier producto, como un computador o un protector de eventos eléctricos transitorios, es imperativo que las pruebas de comportamiento sean las adecuadas. La mayoría de los Ingenieros piensan que las sobrecargas solamente son entre línea a tierra o entre línea y neutro. En realidad, una sobrecarga se puede inducir de cuatro maneras: línea a tierra, línea a neutro, neutro a tierra y línea y neutro a tierra. Por ejemplo, si un protector de sobrecarga normal (standard) es únicamente para proteger una línea a neutro, el dispositivo puede ser vulnerable a los impulsos resultantes de los otros tres tipos de sobrecarga. Cuando se revisen las características de los protectores de sobrecarga de clavija, debe tenerse cuidado de verificar que están protegidas todas las 4 formas de sobrecarga mencionadas.

Las Normas IEEE, separan las pruebas de impulso por lugar, definiéndolas por categoría A, B y C. La categoría C es para la entrada de la alimentación de la instalación. Esto incluye cualquier dispositivo instalado afuera del edificio o como entra la energía al edificio, cerca del interruptor principal o por los alimentadores entre el medidor y el Tablero de Distribución. La categoría B, incluye un alimentador de más longitud y circuitos derivados más cortos, tales como tableros de distribución secundarios a más de 10 metros dentro del edificio, o líneas que alimentan cargas mayores. La categoría A incluye circuitos derivados de mayor longitud y todos los contactos que están a más de 10 metros de la categoría B, con calibres de cable o alambre del #14 AWG al #10 AWG.

NOTA: todos los supresores de eventos eléctricos transitorios para los equipos electrónicos,

deberán seleccionarse de acuerdo con la localización en que estén instalados éstos.

Los Preventores de Eventos Eléctricos Transitorios en Serie

Los dispositivos de supresión de transitorios de LEC, incluyen todas las formas de protección:

­ ­ Los SB04 (para cualquier voltaje, Categoría C) – conexión estrella o delta para la protección del alimentador principal. Estos supresores proveen protección de línea a tierra para sistemas conectados en estrella o de línea a línea para configuraciones DELTA. Hay también opciones especiales para “pierna aterrizada” y conexiones delta con derivaciones en el centro.

­ ­ Los SB03 (cualquier voltaje, Categoría B) – conexión estrella o monofásica para aplicaciones en cajas de distribución. Este modelo se usa

únicamente para aplicaciones línea a neutro. Normalmente, este modelo es todo lo que se necesita para la mayoría de los casos.

Filtro de Redes

El Filtro de Redes de LEC, es un auténtico módulo acondicionador de energía, que efectúa cada paso del proceso acondicionador en la mayoría de las formas energía­eficiencia y costo­beneficio. Primero se instala la protección de picos de la serie híbrida, después el filtro de banda amplia y finalmente la reducción del ruido, en esta secuencia. Este concepto de filtrado por etapas, provee un muy buen desempeño del equipo. Todas estas funciones del filtrado son suministradas: línea a línea, línea a neutro, y neutro a tierra (modo común y modo normal). No hay dispositivo más efectivo en el mercado actualmente. Este es el resultado de diseño para las condiciones más críticas, incluyendo a “Mr. Murphy”, en los análisis que se requieran.

Datos del Comportamiento del DAS

Los datos del desempeño son muy importantes, ya que son la indicación real del valor del sistema. Los datos del desempeño en estos casos estadísticos son, funciona o no funciona (rayos o no rayos). Los datos más válidos de este tipo de sistema, son aquellos en donde se tienen estadísticas de muchos rayos antes de ser instalado el sistema, y ningún rayo después de haber instalado el Sistema de Arreglo de Disipación (DAS) de LEC. Mientras más largo es el período después de la instalación, es mejor.

Las estadísticas del desempeño de un Sistema de Arreglo de Disipación, permiten un muy buen estimado de confiabilidad:

• ∙ Primero, de acuerdo con la información que se tiene y sin considerar el factor de los sistemas que han fallado y que han sido corregidos, la confiabilidad del sistema es de 99.7% en términos horas­sistema.

• ∙ Segundo, tomando en cuenta el impacto de la readecuación del trabajo y resultados de desempeño, la confiabilidad del sistema es de 99.9%, en términos de horas­sistema.

Estas estadísticas ofrecen una total seguridad sobre el Sistema de Arreglo de Disipación y su confiabilidad. Sin embargo, los espectaculares testimonios de clientes que han sufrido una larga historia de pérdidas por rayos, y que han tenido una reducción inmediata de cero pérdidas después de la instalación del Sistema de Arreglo de Disipación, son quizás más persuasivas. Los siguientes, son algunos casos relevantes:

Una de las primeras instalaciones hechas, fue en la estación de radio CKLW, Windsor, Ontario, Canadá. Esta es una Estación Repetidora de AM, localizada a la orilla del Lago Erie, para dar servicio a Windsor, Ontario. El sistema de antenas está integrado por 5 torres de 92 mts. de alto, aterrizadas. Todas las estaciones repetidoras tienen un extenso sistema de tierras como un compensador, con radiales tan largos, como alta es la torre, cada 3 grados. De acuerdo con los registros de la estación, esta tiene en promedio 25 salidas del aire por año, debido a impactos de rayo en las torres. El nivel Isokeráunico para esta área es 31.

En Noviembre de 1972, LEC instaló ionizadores en forma de disco. Estos sistemas han seguido funcionando desde entonces sin que haya habido salidas del aire ocasionadas por rayos. En una ocasión, se midieron las corrientes de disipación, las cuales registraron más de 20 miliamperes de acuerdo con el Jefe de Ingenieros de la estación.

La WBBH­TV, en Fort Myers, Florida, es una estación de televisión para el área de Florida. Su antena está montada en una torre de 300 mts. de altura. El nivel Isokeráunico en esa área es de 100. La torre o antena, ha sido impactada por rayos un promedio de 48 veces por año, resultando daños y pérdidas en muchas ocasiones. En 1975, LEC fue requerida para instalar un Sistema de Arreglo de Disipación (DAS). Posteriormente, fue instalado un Arreglo tipo Trapezoide. Desde entonces, no ha habido impactos de rayo, ni salidas de operación por esta causa. El cliente remodeló su equipo de transmisión y torre a mediados de 1980, lo que fue protegido con un nuevo DAS. Los registros continúan con cero rayos y sin problemas.

La estación de televisión KLAS­TV, de Las Vegas, Nevada, es de interés por dos razones: su localización geográfica y su elevado registro de formaciones de rayos. Físicamente, tiene una antena de 28 metros en el tope de una torre de 62 metros descansando en una roca sólida, sin terreno que cubra el área. Se han tenido que remover una gran cantidad de piedras para instalar el Circuito Colector de Corrientes de Tierra (CCCT) en el lugar, en donde virtualmente no había un aterrizaje. Antes de la instalación del arreglo, la estación salía de operación cuando había actividad eléctrica atmosférica o tormentas eléctricas, cinco o seis veces al año. En 1974, LEC instaló uno de los primeros arreglos tipo Trapezoide. Desde entonces, la estación de TV, no ha salido de operación debido a descargas eléctricas atmosféricas.

La planta química de PPG, en Lake Charles, Louisiana, es un área en donde el número Isokeráunico es de 70. La planta produce cloro para uso industrial. En el proceso, se ventilan al aire gases de hidrógeno. Desde los inicios de la planta, rayos cercanos (no en el lugar) causaban incendios en las chimeneas de venteo del hidrógeno, debido a cambios en el campo electrostático. La causa es comúnmente referida a la carga estática y el arco secundario.

En 1979, se instaló un DAS en las nuevas celdas, posteriormente, se protegieron dos más. La gente de PPG observó que no solamente fueron protegidas las áreas contra rayos, tampoco se prendieron más las chimeneas de venteo del hidrógeno cuando había tormentas. En 1983, fue protegida el resto de la planta, únicamente para evitar que se incendiaran los gases de hidrógeno en el sistema de venteo através de las chimeneas de la planta.

La “Planta Nuclear de Peachbottom Philadelphia Electric”, está en el centro de Pennsylvania sobre el Rio Susquehanna. La planta ocupa cerca de 100 acres en un área donde el nivel Isokeráunico es de 40. El lugar es dominado por las chimeneas de gas de venteo y las torres, algunas de hasta 220 metros arriba de la planta principal. Se estima que el nivel de riesgo de rayos es de 2 a 5 veces cada año. La historia de la planta revela muchos impactos de rayo en las chimeneas cada año y las consecuentes pérdidas. En 1976, se instaló un Sistema de Arreglo de Disipación con TRES disipadores para proteger toda la planta y la subestación. No han habido rayos desde que se terminó la instalación.

La Compañía Federal Express, de Memphis, Tennessee, contrató por primera vez con LEC en 1982. Desde entonces, LEC ha ganado más de 40 contratos para proteger todas sus instalaciones. La mayor área protegida es el Aeropuerto Internacional de Memphis. LEC ha protegido cerca de TRES KILÓMETROS CUADRADOS de sus instalaciones. Un estimado razonable del número de impactos de rayo de estas instalaciones es de 20 cada año. Desde 1982, esta área no ha sido alcanzada por un rayo. El efecto corona se ha visto con frecuencia y las descargas eléctricas atmosféricas continúan en los alrededores, pero no dentro del área protegida.

La Compañía Papelera UNION CAMP, de Franklin, Virginia, instaló el Sistema de Disipación Dual (DDS) de LEC en una línea de energía de 13.8 kV, que alimenta las bombas que envían el agua a la planta desde 3 millas de la planta. El nivel básico de aislamiento (BIL), estaba muy lejos de ser bajo para esa línea, y se salía de operación constantemente, durante, o cada vez que se acercaba una tormenta, antes de la instalación del DDS. Al otro lado de la carretera siguiendo la misma trayectoria, estaba otra línea desempeñando la misma función, pero con un BIL mucho más alto. Esta había salido de operación cerca de 3 veces por año durante 10 años. Permaneció sin protección. Después de la instalación del DDS en la línea de bajo BIL en 1987, no hubieron salidas de operación por rayos. La otra línea continúa con un promedio de tres salidas por año. No hay una evidencia mejor y no hay mejor prueba para el comportamiento del DAS.

CONCLUSIÓN

Los riesgos de una descarga eléctrica atmosférica son reales, y los dispositivos para protección tradicional contra rayos, no cubren adecuadamente todos esos riesgos. Los efectos secundarios, que causan los mayores daños, son incrementados al atraer los rayos.

LEC ha desarrollado tecnologías que demuestran que se pueden eliminar las descargas eléctricas atmosféricas en un área PROTEGIDA y proteger contra los efectos secundarios de un rayo donde la instalación no está completamente protegida. Si un impacto de rayo puede poner fuera de competitividad o sacar de operación por horas a una empresa, considere si el costo para prevenir todos los futuros riesgos de un rayo, no sería fácilmente absorbido en el costo de instalación de un sistema de protección contra rayos de LEC. Esto es un seguro que no cuesta mucho.

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