sábado, 12 de abril de 2008

Protección contra sobretensiones. I parte. Sobretensiones externas.

Como comentamos en otra entrada las tormentas que llevan fuerte aparato eléctrico pueden producir accidentes mortales y destrucción de materiales e instalaciones, incendios, etc., es por ello que se hace necesario tomar las medidas adecuadas para protegernos.

Las sobretensiones se dividen en:

1.Externas.
2.Internas.

Empezaré por las sobretensiones externas, el texto que utilizaré en esta ocasión es de la casa comercial Cirprotec y se encuentran en http://www.cirprotec.com/index.htm

EFECTOS DEL RAYO

La información estadística conocida nos indica que de un modo permanente se forman cerca de 5.000 tormentas alrededor del globo terráqueo, con el consiguiente peligro para bienes y personas. La intensidad media mundial de la descarga de un rayo se estima en 20.000 amperios, pero se llegan a contabilizar rayos de hasta 200.000 amperios.

Cada año caen cerca de dos millones de rayos solo en la Península Ibérica, provocando la muerte a una decena de personas y centenares de animales. Las averías y desperfectos causados anualmente por el rayo a la industria se cuantifican en miles de millones. Naturalmente la orografía de cada país determina el número y la intensidad de las tormentas que se producen, riesgo que varía dentro de un mismo país. El conocimiento de las zonas de riesgo es una información importante para determinar eficazmente el tipo de protección contra el rayo más adecuado.

Las efectos de un rayo pueden ser ocasionados por un impacto directo o por causas indirectas.
Mientras que un impacto directo puede tener consecuencias catastróficas para estructuras, personas o animales, los daños por causas indirectas suelen ser más numerosos con cuantiosas pérdidas económicas. Causas indirectas son la caída de rayos en las inmediaciones o sobre tendidos aéreos o inducciones en estos conductores.

FORMACIÓN DEL RAYO

En condiciones atmosféricas propicias, dadas principalmente en verano, se crea dentro de la nube una separación de cargas colocándose las negativas en la base de la nube mientras las positivas lo hacen en la parte superior. El potencial dentro de la nube es generalmente del orden de varios millones de voltios.
Este efecto produce un cambio similar, pero de polaridad opuesta en la superficie de la tierra y del mismo tamaño aproximadamente.




El campo eléctrico entre la base de la nube y la superficie de la tierra situada bajo la misma, es tan alto que se crean pequeñas descargas desde la nube llamadas líderes de paso. Cuando estos líderes se acercan a la superficie de la tierra se genera un flujo ascendente de carga positiva. Cuando el líder de carga y el flujo ascendente se encuentran se cierra el circuito con una corriente de descarga entre 10kA y 200kA.
En la secuencia de las tres ilustraciones de la izquierda, se puede apreciar como se inician los líderes de paso desde la nube, así como los canales de flujo ascendente desde los objetos más elevados hacia ésta, para finalmente encontrarse y convertirse en el rayo.

Protección contra el rayo

La decisión de dotar a una estructura de un adecuado Sistema de Protección Contra el Rayo (SPCR) depende de factores como la probabilidad de caídas de rayo en la zona, su gravedad y consecuencias para personas, maquinaria u operatividad en empresas.

Para realizar una correcta protección debemos dotar nuestra estructura de dos sistemas de protección : protección externa contra impactos directos de rayo (pararrayos, tendido o jaula de Faraday), y protección interna contra sobretensiones provocadas por la caída del rayo en cualquier tendido de cable (limitadores de tensión).

Tanto el sistema de protección externo como interno estarán apoyados por un buen sistema de toma de tierra, para la evacuación de las corrientes del rayo, así como una adecuada equipotencialidad entre todos los sistemas de tierra, tanto de los sistemas de protección como de los circuitos eléctricos y telefónicos del espacio a proteger.

PROTECCIÓN CONTRA IMPACTO DIRECTO DE RAYO

Para la protección de estructuras y personas se hace necesaria la utilización de un sistema de protección contra el rayo (SPCR), el cual debe atraer el rayo y canalizar las corrientes hacia tierra.
Entre las estructuras en las que es necesaria la instalación de un SPCR podemos citar: edificios o zonas abiertas con concurrencia de público, depósitos de materias peligrosas, edificios del patrimonio cultural, etc.

Cuatro son los sistemas utilizados en la actualidad para la protección externa contra el rayo:

PUNTA FRANKLIN: Su misión es provocar la excitación atmosférica por encima de cualquier otro punto de la estructura a proteger, para aumentar la probabilidad que la descarga incida en su zona de influencia, y derivar a tierra la corriente del rayo. Una varilla captadora, junto con su mástil. Uno o dos bajantes. Un desconectador por bajante para la comprobación de la resistencia de la estructura. Un elemento protector contra golpes en los dos últimos metros del bajante conductor. Una toma de tierra por bajante.

TENDIDO: Protección formada por uno o múltiples conductores aéreos situados sobre la estructura a proteger. Los conductores se deberán unir a tierra mediante las bajantes en cada uno de sus extremos. El área protegida vendrá dada por el área formada por el conjunto de conductores aéreos. Uno o varios conductores aéreos. Una bajante en cada extremo de los conductores. Una toma de tierra por bajante. Unión equipotencial de las tomas de tierra y circuito general de tierras.

JAULA DE FARADAY: El sistema consiste en la recepción del rayo a través de un conjunto de puntas captadoras unidas entre sí por cable conductor, formando una malla, y derivarla a tierra mediante una red de bajantes conductores. Múltiples puntas captadoras. Red de unión de las diversas puntas. Una bajante conductora por punta captadora. Una toma de tierra por bajante. Unión equipotencial de las tomas de tierra y circuito general de tierras.


Ventajas de un sistema de cebado

Los nimbus emiten descargas eléctricas de polaridad inversa al rayo, consiguiendo atraerlo y elevar el punto de impacto por encima de la estructura a proteger, por lo que crea mayor radio de cobertura en la base, frente a un pararrayos convencional.

Como se puede apreciar en la figura, la zona de cobertura es mucho mayor que con cualquier otro dispositivo de protección, permitiendo con un solo dispositivo de captación, proteger edificios, construcciones o instalaciones de gran superficie.

Un pararrayos nimbus no es comparable a una simple punta Franklin, sino a toda una instalación de ellas, necesarias para cubrir el mismo área de protección, con el consiguiente ahorro en instalación y materiales de bajantes, tomas de tierra, equipotencialidad de las mismas, etc.
También presenta ventajas con respecto a los otros sistemas para la protección de estructuras abiertas, como pueden ser superficies al aire libre, instalaciones deportivas, etc.

En resumen, el sistema nimbus ofrece grandes ventajas y un ahorro considerable con respecto a los sistemas pasivos de captación.


PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO

Gracias a su dispositivo de cebado, emite una señal de alta tensión en amplitud y frecuencia determinada y controlada. Asegura su eficacia mediante la rápida formación de un trazador ascendente que se propaga de manera continua hacia el trazador descendente del rayo, consiguiendo elevar el punto de impacto de la descarga por encima de la estructura protegida, con lo que se consigue ampliar el radio de protección frente a un pararrayos convencional.


AUTONOMÍA ENERGÉTICA

Desde el punto de vista energético, no necesita elementos auxiliares para alimentar su sistema de cebado, como lo requieren otros dispositivos de captación del rayo. El nimbus toma la energía necesaria para la generación de los impulsos de alta tensión del campo ambiente que existe en el momento de la tormenta (entre 10 y 20 KV/m), en cuanto el campo ambiente supera un valor que corresponde al riesgo mínimo de rayo.
Los valores determinados en el ensayo corresponden a valores medios. Solo se toman estos valores en la norma NF C 17 -102, o en la UNE 21 186 teniendo en cuenta el aspecto aleatorio del rayo.

27 µs Delta t para nimbus CPT-1
44 µs Delta t para nimbus CPT-2
60 µs Delta t para nimbus CPT-3


Para seleccionar qué tipo de Nimbus utilizar en http://www.cirprotec.com/productos/externa/pararrayos/index5.htm


Parrayos de tipo punta. Castillo de Olite. Foto: viatger