lunes, 15 de diciembre de 2008

PARARRAYOS

Pararrayos

Un pararrayos es un instrumento cuyo objetivo es no atraer sino repeler un rayo desonizando el aire y conducir la descarga hacia tierra, de tal modo que no cause daños a construcciones o personas. Este artilugio fue inventado en 1753 por Benjamín Franklin mientras efectuaba una serie de experimentos sobre la propiedad que tienen las puntas agudas, puestas en contacto con la tierra, de descargar los cuerpos electrizados situados en su proximidad.

Estructura y funcionamiento


Los pararrayos consisten en un mástil metálico (acero inoxidable, aluminio, cobre o acero), con un cabezal captador. El cabezal puede tener muchas formas en función de su principio de funcionamiento: puede ser en punta, multipuntas, semiesférico o esférico y debe sobresalir por encima de las partes más altas del edificio al que protegen. El cabezal está unido a tierra, mediante un cable de cobre conductor. La toma de tierra se hace mediante picas hincadas en el terreno, mediante placas conductoras también enterradas, o bien con un tubo sumergido en el agua de un pozo). En principio, un pararrayos protege una zona teórica de forma cónica con el vértice en el cabezal; el radio de la zona de protección depende del ángulo de apertura de cono y a su vez éste depende de cada tipo de protección.

El objetivo principal de estos sistemas es reducir los daños que puede provocar la caída de un rayo sobre otros elementos, como edificios, árboles o personas incluyendo el propio edificio que se protege.

Para entender como funciona un pararrayos, se resume cómo se presenta el campo eléctrico de alta tensión, llamado también sombra eléctrica.

El rayo

Es la reacción eléctrica causada por la saturación de cargas electrostáticas que han se generan y acumulan progresivamente en las nubes durante la activación del fenómeno eléctrico de una tormenta. Cuando la diferencia de potencial entre la nube y la tierra aumenta a valores suficientes (del orden de 10 ... 45 kV) la energía electrostática acumulada en la nube es capaz de atravesar la poco conductora atmósfera, y se convierte en una descarga de energía electromagnética (el relámpago visible y la interferencia de ruido), energía acústica (trueno) y, finalmente, calor, fenómeno que se produce en unas fracciones de segundo.

El fenómeno rayo se representa aleatoriamente entre nube-nube, nube-tierra o tierra-nube a partir de un potencial eléctrico (10/45 kV), entre dos puntos o zonas de influencia de diferente polaridad y distinto potencial, para compensar las cargas.

EEfecto punta:

Las cargas alrededor de un conductor no se distribuyen uniformemente, sino que se acumulan más en las partes afiladas.

De esta manera, si se tiene un objeto en forma de punta sometido a un intenso campo electrostático (como el generado por una nube de tormenta), la acumulación de cargas en la punta es también muy elevada.

Principio del pararrayos:

El pararrayos no es más que un dispositivo que, colocado en lo alto de un edificio, dirigen al rayo a través de un cable hasta la tierra para que no cause desperfectos.

Ya hemos comentado que normalmente las nubes de tormenta tienen su base cargada negativamente, mientras que la región de tierra que se encuentra debajo de ellas, por efecto de inducción electroestática, presenta carga positiva.

Las cargas negativas de la nube se repelen entre sí y son atraídas por las cargas positivas de la tierra.

Puesto que el pararrayos está conectado a tierra, sus electrones son repelidos por los de la nube con lo que queda cargado positivamente al igual que la tierra bajo la nube.

debido a la forma y características del pararrayos (efecto punta), la densidad de carga en la punta del pararrayos es tal que ioniza el aire que lo rodea, de modo que las partículas de aire cargadas positivamente son repelidas por el pararrayos y atraídas por la nube, realizando así un doble objetivo:
  1. por un parte, se produce una compensación del potencial eléctrico al ser atraídos esos iones del aire por parte de la nube, neutralizando en parte la carga. De esta forma se reduce el potencial nube-tierra hasta valores inferiores a los 10000 V que marcan el límite entre el comportamiento dieléctrico y el conductor del aire, y por tanto previenen la formación del rayo.
  2. por otra, conducen al rayo a tierra ofreciéndole un camino de menor resistencia. Este camino lo formarán el pararrayos, el conductos de descarga y las tomas de tierra.

Un fenómeno que debemos tener en cuenta es el de "disipación natural", que es producida por los arboles, vallas, rocas y demás objetos de forma puntiaguda, ya sean natural o artificiales, sometidos al campo eléctrico de la nube de tormenta, que irán produciendo esa compensación de potencial de forma natural, produciendo la neutralización de la carga de la nube, o al menor, reduciéndola significativamente, con lo que se disminuye el riesgo al llegar la nube sobre zonas habitadas o peligrosas.

Tipos de pararrayos:

Sea cual sea la forma ó tecnología utilizada, todos los rayos tienen la misma finalidad: ofrecer al rayo un camino hacia tierra de menor resistencia que si atravesara la estructura del edificio.

Existen dos tipos fundamentales de pararrayos:

  • Pararrayos de puntas:
  • Formada por una varilla de 3 a 5 m de largo, de acero galvanizado de 50 mm de diámetro con la punta recubierta de wolframio (para soportar el calor producido en el impacto con el rayo). Si además se desea prevenir la formación del rayo, pueden llevar distintas dispositivos de ionización del aire.

    • De tipo Flanklin: se basan en el "efecto punta". Es el típico pararrayos formado por una varilla metálica acabada en una o varias puntas.

    La zona protegida por un pararrayos clásico de Flanklin tiene forma cónica.

    Fig. Zona protegida por un pararrayos clásico.

    En este tipo de pararrayos, el efecto de compensación de potencial es muy reducido, por lo que en zonas con alto riesgo suelen usarse otro tipo de pararrayos.

      • De tipo radiactivo: consiste en una barra metálica en cuyo extremo se tiene una caja que contiene una pequeña cantidad de isótopo radiactivo, cuya finalidad es la de ionizar el aire a su alrededor mediante la liberación de partículas alfa.

    Este aire ionizado favorece generación del canal del rayo hasta tierra, obteniendo un área protegida de forma esferico-cilíndrica.

    El Real Decreto 1428/86 del Ministerio de Industria y Energía prohíbe expresamente el uso de este tipo de pararrayos.

    Fig. Zona protegida por un pararrayos radiactivo

      • Tipo ión-corona solar: este tipo de pararrayos incorpora un dispositivo eléctrico de generación de iones de forma permanente, constituyendo la mejor alternativa a los pararrayos atómicos. La energía necesaria para su funcionamiento suele proceder de fotocélulas.
      • De tipo piezoeléctrico: se basa en la capacidad de los materiales piezoeléctricos, de producir carga eléctrica a partir de los cambios en su estructura debido a presiones externas (tales como las producidas por el viento durante un vendaval).

    Para mejorar el comportamiento de los pararrayos de punta, puede usarse la técnica denominada "matriz de dispersión", que consiste en un conjunto de puntas simples o ionizadoras cuya misión es la de ofrecer multitud de puntos de descarga entre tierra y nube, así modo la repartir esa descarga de neutralización en una región mayor de modo que se reduce la aparición de puntos con distintos potenciales que favorezcan la aparición del rayo.

    1. Pararrayos reticulares o de jaula de Faraday: consisten en recubrir la estructura del edificio mediante una malla metálica conectada a tierra.

    Fig. Zona protegida mediante pararrayos reticular.

    Hay que hacer notar que los edificios modernos con estructura metálica, cumplen una función similar a las jaulas de Faraday, por lo que la probabilidad de que un rayo entre en uno de estos edificios es extremadamente pequeña.

    Donde es necesario colocar un pararrayos:

    Según las Normas Tecnológicas de la Edificación es necesario la instalación de pararrayos en los siguientes casos:

  • Edificios de más de 43 metros.
  • Lugares en los que se manipulen sustancias tóxicas, radiactivas, explosivas o inflamables.
  • Lugares con un índice de riesgo superior a 27. Este índice se calcula dependiendo de la zona geográfica, materiales de construcción y

  • TIPOS DE PROTECCIÓN CONTRA EL RAYO :

    YOSra la protección de estructuras y personas es necesario la utilización de un sistema de protección contra el rayo, que tiene la misión de atraer el rayo y canalizar las corrientes hacia el suelo.
    Actualmente son cuatro los sistemas utilizados para la protección del impacto del rayo.

    PUNTA FRANKLIN

    Su misión es provocar la excitación atmosférica sobre de cualquier otro punto de la estructura a proteger, creando una ionización por efecto de sus puntas, haciendo que la descarga incida en la su zona de cobertura, y derive la corriente del rayo a tierra.
    La cobertura de este cabezal de pararrayos esta limitada a una pirámide de protección de radio en la base, una vez y media su altura.

    “ TENDIDO “

    Es la protección formada por uno o varios conductores aerios situados sobre la estructura a proteger. Los conductores irán conectados a la toma de tierra por medio de un bajante a cada uno de sus extremos.
    El área protegida nos vendrá dada por el área formada por el conjunto de conductores aerios.

    GAVIA DE FARADAY
    El sistema consiste en la recepción del rayo a través de un conjunto de puntas captadoras unidas entre sí por un cable conductor formando una malla grande. Esta malla irá conectada a tierra mediante una red de cables conductores.

    PARARRAYOS CON DISPOSITIVO DE CEBADO (PDC)

    Los PDC emiten descargas eléctricas de polaridad inversa al rayo, produciendo la atracción del rayo, y elevando el punto de impacto por encima de la estructura que estamos protegiendo. De esta forma se consigue un radio de cobertura más grande en la base respecto a un pararrayos convencional.
    Una punta PDC, no es comparable a una punta Franklin, si no a un conjunto de ellas. Esto repercute en un beneficio económico en el momento de hacer una instalación.
    En el momento que un rayo se aproxima a tierra, se crea una descarga sobre cualquier estructura elevada. En el caso de un sistema de protección pasivo, como puede ser una punta Franklin, solo capta las descargas que pueda recibir la punta por la propia ionización. El cabezal PDC crea un camino fácil de descarga asegurando una eficacia más grande por la captura del rayo.

    Gracias al su dispositivo de cebado, emite una señal de alta tensión de amplitud y frecuencia determinada y controlada. Asegura su eficacia mediante la rápida formación del trazador ascendente que se propaga de forma continua hasta el trazador descendente del rayo, elevando así el punto de impacto de la descarga muy por encima de la estructura protegida. Al elevar el punto do impacto, automáticamente ampliamos el radio de protección respecto un pararrayos convencional.

    CERTIFICADOS

    Los cabezales Nimbus PDC están contempldots con las normativas actuales UNE 21186 y la francesa NF C 17-102.

    LAS SOBRETENSIONES :

    La descarga de los rayos sobre cualquier cable conductor, de datos o de transporte de energía, provocan corrientes transitorias, caracterizadas por la su corta duración, su rápido crecimiento, y valores de cresta muy elevados (hasta a varíes decenas de Kv.).
    La descarga de un rayo se propaga en un radio de varios quilómetros, y su dispersión a tierra, eleva el su potencial, induciendo fuertes sobretensiones en cables enterrados y aumentando las tensiones de la tomas de tierra.
    En una instalación eléctrica, todos los conductores que vienen del exterior, son susceptibles de facilitar el camino a las sobretensiones transitorias, provocando daños en todos los aparatos o sistemas conectados.
    Las sobretensiones producidas por fenómenos atmosféricos llegan a las instalaciones de tres formas diferentes::

    El rayo puede caer directamente en las líneas aéreas, propagando la sobretensión a lo largo de varios quilómetros. La sobretensión acaba llegando al usuario y derivándose a tierra a través de sus equipos, provocando averías o la total destrucción.

    La radiación emitida por el impacto del rayo con un objeto ( farola, árbol, pararrayos...) próximo a líneas eléctricas , de telefonía , de datos... induce corrientes transitorias, conduciéndolas mediante la red al interior de nuestras instalaciones, provocando averías o destrucción de los equipos conectados.

    Cuando el rayo cae directo a tierra o a través de una estructura conectada a tierra, la corriente de la descarga del rayo, puede elevar el potencial de tierra a varios miles de voltios como consecuencia de la corriente que circula por el terreno.

    PROTECCIÓN CONTRA LAS SOBRETENSIONES :

    Cuando se produce una sobretensión en una línea, por ella circula una intensidad del orden de Ka.
    Para evitar la sobretensión al equipo conectado a la línea, se ha dew instalar un protector, que derivará hacia tierra, la intensidad generada por la sobretensión sin que esta le afecte.
    Un protector actúa como un interruptor controlado por tensión. Si la tensión es más grande que la nominal de la línea a proteger, el protector pasa a baja impedancia y deriva a tierra. En estado normal el protector está en alta impedancia y es transparente a la instalación.

    El protector ideal, debería de derivar toda la intensidad máxima generada por la sobretensión, y en los sus extremos la tensión residual debería de ser más pequeña, que la soportada por el equipo a proteger. En la práctica no existe un protector que cumpla estos dos criterios.

    .
    Conseguir un alto poder de descarga y bajo valor de tensión residual en un mismo protector es irrealizable, por lo que la utilización de un único protector no asegura la total protección de la instalación donde haya aparatos eléctricos muy sensibles. Por este motivo deberemos de instalar dos o más niveles de protección, escalonados y coordinados.
    Un primer nivel será un protector con un alto poder de descarga (65 Ka/40Ka). El segundo ( hasta un tercer nivel en algunos casos) serán protectores de tensión residual baja, por debajo de los soportados por los aparatos protegidos. Estos protectores es montaran lo más cerca posible de los aparatos a proteger.

    Las líneas telefónicas , ya sean de transmisión de voz, como de datos, analógicas o digitales, están altamente expuestas a padecer sobretensiones de origen atmosférico, por tener la mayor parte exterior de la red, de forma aérea. También las antenas de radiofrecuencia o redes informa tiques están expuestas a sobretensiones inducidas por la caída de rayos.
    A diferencia de las redes de energía, para proteger las líneas de transmisión (teléfono, radiofrecuencia...), instalaremos un solo nivel de protección, ya que realizar varios escalonados nos provocaría la perdida de señal. Estas protecciones irán conectadas a la instalación en serie. En caso de avería de la protección por una sobretensión, la línea quedará sin continuidad.

    condiciones del terreno.
  • 1 comentario:

    1. Las instalaciones de pararrayos se tienen que retirar del mercado
      explico un poco lo que se esconde detrás de un impacto de rayo.
      Cuando un rayo impacta en la punta del pararrayos, aparecen corriente de MUY ALTA TENSION (MAT) que circulan por los cables desnudos de la tierra del pararrayos recorriendo todo el trazado y bajando por la fachada a la puesta a tierra, estas instalaciones no estan señalizadas como instalaciones de alta tension, además en ese instante mismo que aparece el rayo, se genera en el aire un peligroso pulso electromagnético desde la punta del pararrayos, que se propaga radialmente por el aire a grandes distancias a la velocidad de la luz, la señal radiada supera los 300 km de distancia , el pulso electromagnético destruye a su paso toda electrónica sensible en funcion de la intensidad de de descarga del rayo, nuestras células vivas tambien pueden ser afectadas. La reacción de esa radiación, se transforma en voltajes peligrosos, chispas eléctricas y riesgo de electrocución solo por estar tocando algún metal.. Las personas con marcapasos pueden sufrir un paro cardiaco.
      Los valores eléctricos que aparecen en los cables de tierra durante la transferencia de energía desde la punta del pararrayos a la toma de tierra, son valores de alta tensión, que ponen en riesgo electrico las personas y animales que estén cerca, las tensiones que aparecen en k¡las instalaciones pueden superaran en algunos casos los 500.000 voltios en el epicentro del impacto del rayo y los 15.000 Voltios a un radio de 500 metros. Se han medido descargas de rayo con valores superiores a 350.000 amperios.
      Para que se hagan una idea de lo que les digo, les doy un ejemplo muy claro, como formula utilizaremos la ley de Ohm, y como referencia utilizaremos un rayo medio de 50.000 amperios , como elemento de impacto del rayo pondremos un ejemplo típico de protección, un , “Pararrayos Franklin “ que normalmente tiene que tener una toma de tierra buena (=<10 ohmios) , los valores que aparecen servirán también para denunciar el riesgo electrico que existe en nuestras casas si tenemos un pararrayos y que nunca nadie nos informo:
      El ejemplo queda así:
      COMO APARECE LA ALTA TENSION EN CABLES DE TIERRA.
      Formula aplicada: E=IxR
      Siendo : I = 50.000 Amperios del rayo y R= 10 ohmios de la toma de tierra
      El valor de tensión que aparecera en los cables de tierra y la propia toma de tierra sera de : 500.000 Voltios
      RADIACION GENERADA POR EL AIRE QUE AFECTARA A NUESTROS VECINOS :
      Formula aplicada : W =(1^2)x R
      Siendo la toma de tierra de R=10 ohmios
      La potencia radiada será una señal de : 25.000.000.000 Watios de potencia
      Además de la destrucción de equipos electrónicos, generaremos una radiación en nuestro entorno donde este colocado el pararrayos, creando peligrosamente posibles efectos de destrucción o incendio a nuestros vecinos.
      Toda radiación superior a 0.4W/kg no podrá ser absorbida correctamente por el cuerpo. El aumento repentino de 1 grado en el cuerpo puede producir efectos biológicos adversos, éste fenómeno puede ser representado por radiaciones de gigaherzios o microondas.
      Por eso es tan peligroso instalarse un pararrayos tipo punta o similar en casa o tener uno cerca, estos artilugios, tienden a generar el camino del rayo y captar su descarga, el problema es que no pueden controlar esa energía, y son instalaciones potencialmente peligrosas que no cumplen con la mayoría de leyes de seguridad eléctrica, compatibilidad electromagnética y normas y reglamentos de baja tensión.
      es un paradigma que sale a la luz después de 250 años
      podeis ver el tema del CTE como necesita un revision. INT AR S.L. - Pararrayos nuevas tecnologias

      Un saludo
      Angel Rodriguez. arm@andorra
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