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ÍNDICE
PAGINA N°
PROLOGO.............................................................................................................................
5 EL FENÓMENO
RAYO.............................................................................................................
9 EL
RAYO...............................................................................................................................
10
LA NUBE DE
TORMENTA.........................................................................................................
10
LA GENERACIÓN DEL
RAYO....................................................................................................
12
EL NIVEL
CERÁUNICO.............................................................................................................
19
TIPIFICACIÓN DEL RAYO COMO
RIESGO...................................................................................
22
PROTECCIÓN CONTRA DESCARGAS
ATMOSFÉRICAS................................................................
23 PROTECCIÓN CONTRA
RAYOS................................................................................................
24
FILOSOFÍA BÁSICA DE
PROTECCIÓN........................................................................................
24
1) SISTEMAS BASADOS EN LA CONCENTRACIÓN DEL GRADIENTE
ELÉCTRICO........................... 24 EL HILO DE
GUARDIA.......................................................................................................
25
EL HILO
PERIMETRAL.......................................................................................................
26
PARARRAYOS ACTIVOS: EL PARARRAYOS
RADIACTIVO......................................................
28
PARARRAYO IÓNICO DE GRAN RADIO DE ACCIÓN PROTEC-THOR
MV-2K........................... 29
ENSAYO DEL PARARRAYOS MV-2K EN EL INTI-SEPTIEMBRE DE
2000............................... 31
INSTALACIÓN DE UN PARARRAYO IÓNICO PROTEC-THOR
MV-2K........................................ 31
CÁLCULO DE LAS ÁREAS
PROTEGIDAS..............................................................................
32
EVALUACIÓN DEL “SISTEMA DE CONCENTRACIÓN DE GRADIENTE” DESDE EL
PUNTO DE
VISTA DE LA
SEGURIDAD..................................................................................................
33
2) SISTEMAS BASADOS EN LA CREACIÓN DE PLANOS DE TIERRA “LA
PROTECCIÓN DE
MELSEN”........................................................................................................................
34
EVALUACIÓN DEL SISTEMA DE FORMACIÓN DE PLANOS DE TIERRA DESDE EL
PUNTO DE
VISTA DE LA
SEGURIDAD..................................................................................................
36
3) LA JAULA DE
FARADAY....................................................................................................
37 EVALUACIÓN DE LA JAULA DE FARADAY DESDE EL PUNTO DE VISTA DE LA
SEGURIDAD......... 38
4) LOS SISTEMAS DE
DISIPACIÓN..........................................................................................
39 SISTEMA DE PROTECCIÓN CONTRA
RAYOS..............................................................................
41 SISTEMA DE PROTECCIÓN CONTRA DESCARGAS
ATMOSFÉRICAS.............................................. 42
LA PROTECCIÓN
EXTERIOR....................................................................................................
42
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PAGINA N°
a) EL ELEMENTO
CAPTOR....................................................................................................
43 LA CONCENTRACIÓN DE GRADIENTE DISMINUYE EN EL PARARRAYO DE
VARIAS PUNTAS.............. 43
b) LA BAJADA.
....................................................................................................................
44 EVALUACIÓN DE LOS RIESGOS INHERENTES A LA
BAJADA.........................................................
49
LA TOMA DE
TIERRA...............................................................................................................
49
LOS ELECTRODOS
UFER........................................................................................................
53
USO DE UN ELECTRODO UFER EN UNA INSTALACIÓN DE
PARARRAYOS...................................... 24
EVALUACIÓN DE LOS RIESGOS INHERENTES A LAS TOMAS DE
TIERRA........................................ 55
LA PROTECCIÓN
INTERIOR.....................................................................................................
55
PROTECCIÓN INTERIOR DE LA INSTALACIÓN
ELÉCTRICA............................................................
27
M.P.O. (METODOLOGÍA DE PROCEDIMIENTO
OPERATIVO).......................................................
61 METODOLOGÍA DE PROCEDIMIENTO OPERATIVO (M.P.O.) LUEGO DE LA
CAÍDA DE UN RAYO...... 62
METODOLOGÍA DE PROCEDIMIENTO
OPERATIVO.....................................................................
67
APLICACIÓN DE LA M.P.O. A LA PROTECCIÓN CONTRA DESCARGAS
ATMOSFÉRICAS.................. 67
ACCIÓN
ANALÍTICA................................................................................................................
68
A) DEFINICIÓN DE LAS ÁREAS DE RIESGO.
............................................................................
68
B) EVALUACIÓN DE CONDICIONES FÍSICAS.
...........................................................................
69
C) DECISIÓN SOBRE PROTEGER O NO PROTEGER LAS DIFERENTES
ÁREAS.............................. 71 PROTECCIÓN
INTERIOR..........................................................................................................
78
EL PROYECTO
COMPLETO......................................................................................................
79
LA ACCIÓN
PREVENTIVA.........................................................................................................
80
SOBRE LA EVALUACIÓN DEL SISTEMA DE
PROTECCIÓN.............................................................
82
CUESTIONARIO DE
EVALUACIÓN.............................................................................................
84
REFERENCIAS.......................................................................................................................
87
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PRÓLOGO
A la memoria de MANUEL DOMINGO VARELA
Los apuntes que se encuentran condensados en la presente
bibliografía (en la opinión del autor de estas líneas) son de un
enorme valor cultural, ya que los mismos representan de manera
sencilla y resumida, y por ello mismo asequible a la comunidad
técnica en general, el reflejo del esfuerzo de más de 30 (treinta)
años de
dedicación al estudio y tratamiento del fenómeno rayo, realizado
por el distinguido Manuel
Domingo Varela.
En un tiempo marcado por el estereotipo cultural, por la
inveteración intelectual sin duda a contrapelo del avance
tecnológico imperante... y este mencionado
“avance tecnológico imperante” el que nos estigma de dos formas:
1ro la satisfacción
que en nosotros a veces hasta rallana el asombro cuando
contemplamos la magnitud y la
velocidad con los que la tecnología se espeta sobre nuestras
vidas.
2do La angustia al ver que la misma representa una lúgubre
imposición de la selección
artificial, un plagio del pensamiento.
... Los sellos de control de calidad... la certificación de
acuerdo a la calidad tal... hasta la certificación de tendencias,
son algunos de los dignos exponentes de una “tecnology”, que
persigue la traza ideal del aseguramiento de la calidad, de los
productos... del pensamiento?. Aunque se olvida, o se ignora, ¡o
simplemente se prescinde! del ciclópeo esfuerzo
que realizaron y realizan para la humanidad el libre pensador,
el individuo aislado, el
estudioso, el inventor, el apasionado. Me pregunto entonces,
cual seria, por ej.:, la magnitud del sello de calidad, o la
certificación “X” para la actitud de seres humanos como COIFFIE
que por pedido del físico D’allivar cerró con sus rudos dedos...
una cuchilla de contacto que daba
continuidad hacia tierra de la “BAJADA” durante un experimento
con pararrayos en el
siglo XVIII.
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... y la satisfacción que tubo cuando una enorme chispa le
evidenciaba que estaba
ante la presencia de un fenómeno físico, y no sobrenatural.
... y que para esta satisfacción haya arriesgado su vida.
... el mismo Benjamín Franklin y su idilio con el barrilete, que
luego diera luz al
nacimiento del pararrayos. ... Faraday y su Jaula prodigia;
Capart, Mielsen, Lodge, Szillard, Mc Erhon, Müller
Hillebrand, Baatz; son todos hechos de una madera que ya no
viene, sin duda alguna
dignos del más imperecedero recuerdo.
M. D. Varela (con quien tuve el honor de compartir amistad,
ideas y ¡hasta la teoría! de una invención del suscribiente
relacionada con los electrodos de tomas
de tierra) es uno de esos caballeros de los libros y del
mameluco, a quien el sello de calidad, y las certificaciones les
son improcedentes.
Como podría cuantificarse la trayectoria de M. D. Varela desde
aquellos primeros días, cuando no sin un gran esfuerzo consigue
luego de estudiar a Capart, una
licencia de los hermanos franceses para fabricar en Argentina y
en todo
Latinoamérica por primera vez el Ionocaptor o Pararrayos
Radiactivo. Luego cuando el experimento (solicitado por el comité
de normas DINN)
realizado por Müller Hillebrand demostró la ineficiencia del
Pararrayos Radiactivo (y que luego este pararrayos sería prohibido
en su fabricación y uso en todo el mundo).
Entonces no menor fue la imaginación y el esfuerzo realizado por
M. D. Varela hasta dar a
luz el Pararrayos Iónico MV – 2K, sin dudas precursor (como su
creador) de los pararrayos activos de verdaderamente gran radio de
acción.
Como podría mensurarse el esfuerzo de M. D. Varela, desde
aquellos días en los que encaró (sin referentes anteriores) la
traducción de textos del idioma alemán,
relacionados por ej.: con el comportamiento de las tomas de
tierra ante fuertes ondas de choque y permitir así que autores como
Karl Berger, J. Wiesinger y P. Hasse puedan ser conocidos por la
comunidad técnica de América latina... y que esta pudiera
beneficiarse con la contribución de los autores mencionados en el
campo
de las... “Tomas de tierra en estado dinámico”.
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... La coordinación de tierras técnica hoy necesaria en los
sistemas electrónicos, informáticos, etc. dada la creciente
electronización de las instalaciones industriales, le planteó una
cruzada, desarrollar una central que sin perder el concepto de
equipotenciación (pilar básico de seguridad para las personas y
bienes en una instalación de puesta a tierra) brindase salidas de
¡tierras filtradas, libres de ruido!, para usos tan específicos, en
equipamientos que no admiten variaciones de ceros lógicos, y que no
funcionan bien cuando son conectados a tierras ruidosas.
Entonces M. D. Varela dio a luz la Central Elaboradora de
Tierras Erdhung cuya
eficacia esta demostrada (salvo algunas opiniones deformantes...
las que por su puesto nunca faltan).
Un renglón aparte merecen las consideraciones y conceptos que a
lo largo de
tantos años de estudio, y “obra”, ...principalmente “obra” (ese
distintivo que diferencia
al estudioso del o los preocupado/s por el sello del control de
calidad... y otros víveres) le permitió modelizar (luego de
estudiar el ciclo de la acción humana) el M.P.O. “Metodología de
Procedimiento Operativo” para su utilización o implementación
por parte de profesionales en Seguridad e Higiene Industrial, de
empresas y fábricas en los Sistemas de protección contra descargas
atmosféricas de plantas y naves industriales, resaltando
particularmente la actitud que el personal de planta debería
adoptar al reportar la caída de un rayo.
Considero personalmente que la obra de M. D. Varela marca en
nuestro país un hito fundamental en el estudio del rayo y en la
aplicación de filosofías básicas de protección contra el mismo,
como para considerarlo un “clásico”, ya que sus inventos y técnicas
de trabajo una vez diseñados, de inmediato dejan de pertenecer a M.
D. Varela ¡para ser de la comunidad técnica toda!... esto último es
lo más
reconocible que un artista puede lograr, que sus obras sean
consideradas anónimas.
Los apuntes condensados en la presente bibliografía forman parte
de la obra colectiva titulada por el autor de estas líneas como “El
líder de pasos avanza sobre la tierra” obra que pretende brindar
material de estudios para facultades e institutos en
el análisis de la física del fenómeno rayo.
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La obra colectiva se encuentra en preparación, lejos está de ser
terminada y esperamos de parte de todos los colegas, las inefables
críticas que permitirán perfeccionar la misma (iniciativa que
siempre estuvo presente en la personalidad de
M. D. Varela). ... Recuerdo al final de esta epístola aquellas
palabras que Manuel expresó a
nuestro distinguido presidente de la Asociación Electrotécnica
Argentina – Ingeniero
Eduardo L. Castiglioni en aquel precursor ensayo de laboratorio
del Pararrayo Iónico MV –
2K realizado en el Laboratorio del INTI en febrero del año 1995.
Con esa misma expresión es oportuno decirle a M. D. Varela “LAST
BUT NOT
LEAST” por toda su obra.
DARDO L. YANACÓN
PALMAR LARGO – FORMOSA. ENERO DE 2002.
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EL RAYO
LA NUBE DE TORMENTA
El rayo es, ni más ni menos, una chispa eléctrica producida
mediante una nube
cargada de electricidad y la tierra o entre dos nubes cargadas
con electricidad de
diferente signo, cuando las diferencias de tensión entre una y
otra crea gradientes que el
aire entre ambas no es capaz de soportar.
Aparecen así dos tipos de rayos: los entre nube y tierra y los
entre nube y nube. El
especialista en seguridad, salvo casos muy especiales, solo
tendrá que resolver
problemas referentes al primer tipo por lo que nos ocuparemos de
esta clase de rayos.
Entre los trece tipos de nubes que distinguen básicamente los
meteorólogos hay uno
solo que se carga de electricidad. Es el cúmulo-nimbus que se
genera a partir de
grandes bancos de cúmulos por efectos de vientos verticales que
los elevan a
considerable altura (hasta doce mil metros en climas templados y
hasta dieciocho mil en
tropicales) en que, al perder la eficiencia del mecanismo
generador del viento, se
detienen.
Existen dos mecanismos de generación de vientos verticales que
producen los
cúmulo–nimbus, siempre a partir de un banco preexistente de
cúmulos. Uno, típico de las tormentas de clima templado, que
produce el viento a partir del poder ascensional que adquieren las
capas de aire calentadas en contacto con la tierra. Es
el proceso convectivo.
El otro mecanismo, llamado frontal, típico de las tormentas
tropicales produce las
ráfagas verticales al chocar un frente de aire frío que se
desplaza con un frente de aire
caliente. El primero se desplaza hacia abajo y el segundo hacia
arriba generando
turbulencias que producen los cúmulo–nimbus.
Para nuestro tema no es indiferente cual sea el mecanismo
generador de los vientos
verticales ya que el convectivo es auto extinguido al ser
enfriada la tierra por la lluvia que casi siempre acompaña a las
tormentas, cosa que no ocurre para el frontal. Por ello las
tormentas tropicales son de mayor duración que las de clima
templado.
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El área cubierta por el mecanismo vertical, en cualquiera de los
dos mecanismos, es
limitada. Se concentra en una zona que no supera los 8
kilómetros de diámetro siendo
esta, la extensión máxima de las verdaderas chimeneas que se
producen en los bancos
de cúmulos, en cuyo interior se generan los fenómenos de
electrificación y que toman el nombre de células de tormenta. Dado
que lo normal es que un frente de tormenta cubra
una extensión mucho mayor que 8 Km., en todo momento hay varias
células en proceso
de formación dependiendo su número del mecanismo: en tormentas
tropicales hay
hasta 30 de estas células, mientras que cuando el proceso es
convectivo no pasan de 10. Es el segundo motivo que encontramos que
explica el porque la tormenta tropical es más destructiva, por
rayos, que la de zona templada: mayor duración y
mayor cantidad de máquinas generadoras de rayos. Veamos ahora lo
que ocurre dentro
de una célula de tormenta. En su comienzo el viento vertical es
producido por el aire caliente cargado de vapor de agua en el
proceso convectivo y por la energía cinética con la que se
desplazan las masas de aire que chocan en el frontal. En
ambos casos el aire caliente, cargado de vapor de agua, se
desplaza hacia arriba
encontrando en su camino aire cada vez más frío (característico
de la zona de aire en
contacto directo con la tierra llamada “troposfera”) con lo que
llega el momento en que el vapor se condensa dejando en libertad su
calor latente de vaporización, imprimiéndole mayor poder
ascensional. Al ir encontrando capas aún más frías, las gotitas se
congelan
liberando nuevas cuotas de calor latente. Llega un momento en
que todo el vapor de agua
está en forma de pequeñísimos granitos de hielo. Al no haber más
fuente de calor el viento vertical cesa y los granitos, sin
soporte, comienzan a caer en caída libre. El cúmulo-nimbus ha
alcanzado el máximo de altura de que es capaz.
Los granitos de hielo, microscópicos al principio, en su caída
van encontrando otros
granitos y, más abajo, también gotitas de agua que lo hacen
levantar de tamaño y peso.
Pero también van encontrando vientos cada vez más fuertes al
acercarse a la base de la nube, vientos cuyo empuje, al superar su
energía cinética, los impulsan nuevamente hacia arriba, siempre
aumentando de tamaño por las partículas
líquidas y sólidas que van encontrando en un proceso que se
repite muchas veces.
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Este es el proceso de formación del granizo.
Nuestro cúmulo-nimbus, gracias a sus vientos verticales, es
también la única nube generadora de este meteoro.
Las zarandeadas gotitas contenidas en la nube de tormenta no
solo experimentan
aumentar de tamaño en su repetido periplo. Hay una serie de
complicados fenómenos vinculados con la congelación, campo
eléctrico terrestre y captación de iones, sobre los cuales no
corresponde que entremos, que hacen que se carguen de
electricidad,
carga que va variando de signo a través de su viaje. Es de un
signo cuando está en la
base de la nube y del signo contrario al fin de su camino
ascensional. En el noventa y
cinco por ciento de los casos las gotitas de la base están
cargadas negativamente. La
célula de tormenta adquiere así, desde el punto de vista
eléctrico el aspecto de dipolo que
graficamos en la (Figura 1). Muchas veces, por razones no bien
explicadas, aparece en la
base un bolsón pequeño de polaridad contraria a la que le
corresponde transformándose
en tripolo (Figura 2).
Figura 1: El dipolo de tormenta Figura 2: El tripolo de
tormenta
LA GENERACIÓN DEL RAYO
La célula de tormenta no es un fenomeno aislado. Se produce en
un entorno físico en
el que los elementos más destacados son la tierra directamente
debajo de la misma
y la capa de aire entre las dos que hace de elemento aislante.
El conjunto actua como
un capacitor (Figura 3).
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Figura 3: Capacitor nube-tierra
La carga inducida bajo la nube es la resultante de las
producidas dentro de la misma
prevaleciendo el signo de la base por su menor cercania. La
presencia de esta carga se
suma al proceso de generación de electricidad dentro de la nube,
ya que, por inducción
genera en esta una carga igual, cuyo signo contrario coincide
con el de la ya existente, sumándose.
Este proceso va haciendo aumentar la tensión en la base de la
nube, con respecto a tierra, hasta valores increibles (100 a 1.000
millones de volts.) llegando a un
momento en que la rigidez dielectrica del aire no soporta más la
tensión y se inicia una
chispa en uno de los términos, nube o tierra, hacia el otro.
En otro lugar (1) hemos mostrado que el aire tiene menor rigidez
dieléctrica a medida
que se avanza desde tierra hacia la nube, de modo que la gran
mayoria de los rayos se inician en la nube.
Pero ocurre que sobre la tierra misma, el mayor porcentaje de
resistencia está dado por la capa de polución ambiental que termina
a unos 100 o 200 metros de altura. Para cualquier estructura que
supere esa altura, caso muy frecuentes en nuestros
días, comienza a adquirir relevancia la concentración del
gradiente eléctrico en las puntas
y las chispas se inician sobre ella, con más frecuencia cuanto
más elevada y más en forma de punta es. Esto se pone en evidencia
en el gráfico de la Figura 4, extraído de
un trabajo de Horvath (2).
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Figura 4: Porcentaje de rayos ascendentes según la altura del
edificio
Esto hace intervenir la altura y aislamiento de los edificios en
el riesgo de recibir un
rayo, como veremos mas adelante. Por ahora, de todo esto, nos
queda claro que hay rayos que decienden desde la nube hacia tierra
y que hay otros que ascienden
desde esta a la nube. Iniciada la chispa, su marcha hacia el
otro polo no es continua. Por razones eléctricas
que hemos ya clarificado en otra parte (3) y que no corresponde
considerar aquí, cuando la chispa ha recorrido una distancia no
mayor de 80 metros se detiene como si tratara de recuperar fuerzas
y, luego de un cortisimo lapso, reinicia su camino por
un tramo de parecidas dimensiones. Como la ionización del aire
y, con ello su resistencia k no es homogenea, la marcha no
se reanuda en la misma direccion sino buscando siempre el camino
mas fácil, a veces
bifurcándose debido a tener en frente mas de un camino en esas
condiciones.
Así las cosas, por saltos de magnitud definida, avanza la chispa
hacia el polo
opuesto con una velocidad aproximadamente igual a un tercio de
la de la luz. Esta chispa,
en esta etapa, recibe el nombre de lider de pasos. Ocurre que en
el corazón de la misma un canal de no mas de centimetro y medio de
diametro está formado por aire
totalmente ionizado (estado de la materia que recibe el nombre
de plasma).
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Esta caracteristica hace que, siguiendo lo que conocemos sobre
física de los gases,
sea un conductor perfecto con lo que el lider de pasos va
acercando hacia el polo
opuesto el potencial de aquel del cual proviene, con lo que el
gradiente, o sea el resultado
de dividir este potencial por la distancia, va creciendo
grandemente al disminuir esta. La
situación en un momento intermedio se grafica en la (Figura 5).
En ella se destaca la
corriente de iones libres que escapan, por imposición del
gradiente eléctrico, de todas las puntas situadas en la zona
influenciada por el “lider”, que se estima con efectos
sensibles en alrededor de 10 km a partir de su vertical.
Figura 5: El lider de pasos avanza hacia la tierra
Esta marcha prosigue hasta que el “lider” se acerca tanto (se
estima, en promedio una distancia igual al último paso) que en
algunos de los puntos altos, donde el gradiemte es mayor, la
rigidez dieléctrica del aire no lo soporta y de él salta una chispa
a
su encuentro (Figura 6).
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Figura 6: La corriente de retorno y el “punto de encuentro”
El punto en que ambas corrientes se conectan recibe el nombre de
punto de encuentro y, en el momento en que esto ocurre, se produce
un cortocircuito franco entre los 100, 200 o 300 millones de
voltios de la nube con lo que se genera una intensísima corriente
en sentido inverso al del lider de pasos que recibe el nombre de
lider en flecha o dardo como se lo suele llamar en algunos trabajos
españoles
(4).
Cuando el “dardo” llega a la nube con su carga de iones
positivos se encuentra en una
situación muy especial: se encuentra frente a un sistema
eléctrico formado por una
acumulación de gotitas o granitos de hielo separados entre si
por una capa de aire muy
seco dado que el vapor de agua se ha condensado por efectos de
la baja temperatura.
Sabemos que el aire en estas condiciones es muy buen aislante
por lo que la carga de la nube no se neutraliza completamente sino
que se produce un
chisporroteo hasta que las gotitas que se hallan a una
determinada distancia, digamos trescientos o quinientos metros,
cuyas cargas eléctricas son neutralizadas. Esta neutralización hace
decrecer la corriente hasta su extinción.
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Pero ocurre que nada a cambiado en la cinética de la nube y las
gotitas cargadas de
electricidad son acercadas por el viento descendente hasta la
zona puesta en contacto
con el polo opuesto produciendose una nueva descarga y otra mas
hasta agotarse la
carga generada en la nube. El fenómeno se asemeja a lo que
ocurre cuando retiramos el cable de una bujia en el auto, con la
diferencia que los pulsos de corriente son de menor intensidad. El
mayor, por lejos, es el primer pulso y sobre él centraremos
nuestra
atención.
Antes de seguir diremos que surge de evidencias fotograficas, de
las que hay gran
acopio, que los fenomenos descriptos son los mismos, si el rayo
es de nube-tierra o de tierra-nube, con la sola excepción de un
pequeño porcentaje de rayos calientes que
tienen un solo pulso muy prolongado. Sobre el tema puede leerse
la referencia 3. Esto
nos lleva a una conclusión que luego explicará una cantidad de
disposiciones que se
toman el los sistemas de protección contra el rayo: en los rayos
entre tierra-nube; y entre los rayos nube-tierra, cualquiera, sea
su sentido.
Cabe aquí otra observación: hemos centrado nuestra atención en
las descargas entre
nube-tierra, como ya lo hemos dicho, por el hecho que el
especialista en seguridad tiene
que ver mayormente con ellos. Hay, como es lógico, descargas de
nube-nube que tienen
caracteristicas algo diferentes. Las descargas entre los dos
polos dentro de una misma “nube” constituye el “relámpago”.
Todos los problemas que el rayo causa están vinculados con los
pulsos de corrientes.
La importancia que tiene la tensión contra tierra que se genera
en la nube solo se vincula
con ellos por el hecho de que a mayor tensión generada - a
igualdad de otros parámetros físicos - mayor intensidad alcanza la
corriente. Trataremos, pues, de caracterizar muy brevemente estos
pulsos.
Si bien los registros oscilográficos de muchos millones de rayos
prueban que la forma del pulso es muy variable - casi puede decirse
que no hay dos de la misma forma - se
ha podido establecer una configuración promedio sobre la que se
trabaja, para
dimensionar en normas y especificaciones los elementos que
forman los sistemas de
protección.
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Hasta se han desarrollado fórmulas de exactitud suficiente para
estos propósitos (5),
en todos los casos para la corriente en el punto de impacto.
La Figura 7 es una representación de este pulso promedio.
Figura 7: Curva del pulso de coriente de un rayo
Lo usual es caracterizar técnicamente estos pulsos por el tiempo
en que alcanza la
corriente máxima, en el frente y el que tardan en alcanzar la
mitad de esta corriente, en la cola. En este caso la corriente
máxima se alcanza a los cinco microsegundos y decrece al cincuenta
por ciento en cincuenta microsegundos por lo que se lo
caracteriza diciendo que es un pulso 5/50.
Los elementos de este pulso tipo que hacen a nuestro tema son:
la corriente máxima
Imax., responsable de las elevaciones de tensión al recorrer
resistencias ohmicas, la máxima escarpadura di/dt, que se halla en
la cresta del segundo o tercer pulso,
responsable de las elevaciones de tensión al recorrer las
impedancias inductivas que encuentra la corriente en su camino y la
suma de todos valores i² . dt dados por el área bajo la curva,
responsable de las elevaciones de temperatura al recorrer la
corriente las
resistencias ohmicas.
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Escapa a los límites que hemos impuesto a este manual el estudio
teórico de estos
fenómenos y sus consecuencias pero para quien quiera hacerlo y
sobre todo para mostrar
el grado de exactitud a que se ha llegado en el tema, cosa que
sí queremos “enfatizar”
como reacción al oscurantismo que usualmente lo rodea, daremos
algunas cifras
características (6).
La corriente máxima en el pico en un rayo promedio llega a 20 o
30.000 amperes. En el 5% de los rayos supera los 150.000 amperes y
este es el valor que toma el CP 326
británico para sus cálculos ya que pretende diseñar las
instalaciones para soportar el 95% de las descargas
previsibles.
El escarpamiento máximo varía en buena medida según sea la
altura del edificio o
estructura sobre la que incide el rayo. Podemos adoptar para
edificios de altura media
(20 a 25 metros un valor de 40 KA/microsegundo que es excedido
en el 50% de los casos en pulsos subsiguientes al primero (en este
es solo de 12 KA/microsegundo) o
de 120 KA/microsegundo que es excedido solo en el 5% de los
casos (7).
No entraremos en el tema del calentamiento producido por el
rayo. A nuestros fines
basta destacar que solamente un 5% de los rayos descendentes
transfiere energía
suficiente para fundir hierro o cobre por lo que este tipo de
rayos se conoce como “rayo frío”. En cambio, un alto porcentaje de
los rayos ascendentes, los que transportan cargas positivas,
producen elevaciones tan importantes como para ser considerados
“rayos
calientes”.
EL NIVEL CERÁUNICO
Los procesos que hemos descriptos se producen dentro de cada
célula de tormenta, que actúa como un generador individual de
electricidad sin conexión alguna con sus
vecinas. Dependiendo de la energía puesta en juego dentro de la
misma y de los factores
externos, una célula de tormenta genera durante los 30 a 60
minutos que dura su actividad una vez que está madura, entre 2 y 3
rayos en promedio por minuto. A mayor
ionización del aire circundante produce mayor cantidad de rayos
de menor energía.
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El meteorólogo japonés Hatakeyama ha demostrado que la caída de
estos rayos es
totalmente al azar con una separación promedio, para su país,
del orden de los 3 Km (8).
De todo lo que antecede puede intuirse que, no siendo uniforme
la distribución de las
tormentas ni su intensidad sobre el globo terrestre, tampoco lo
será la cantidad de rayos
caídos por unidad de superficie y tiempo en todas partes.
Las estimaciones de Brookes, meteorólogo inglés, dan para todo
el orbe la friolera de 100 rayos por segundo o sea ocho millones
seiscientos mil por día, valor que
cierra bastante bien con el hecho de que el campo eléctrico
terrestre se mantiene
inalterado a pesar del drenaje permanente de corriente desde la
ionosfera a la tierra.
El mismo Brookes ha dividido toda la superficie terrestre en
zonas isoceráunicas (de
iso, igual y ceráunico, del griego “queraunós”, rayo) o sea zona
de igual caida de rayos
por unidad de superficie y tiempo. La Figura 8 muestra un mapa
de sudamérica con la
zonificación preparada por Brookes. La Asociación Meteorológica
Mundial ha editado un mapa con las líneas
isoceráunicas en rayos por Km cuadrado y por año. En él
encontraremos zonas
singulares como ambos polos que, por no tener las condiciones
que generan las nubes de
tormenta, carecen de actividad ceráunicas, hasta la isla de Java
que constituye el punto
de mayor actividad mundial. Resulta poco práctico el registrar
los rayos caídos en una
determinada zona por lo que los observatorios registran, en vez
de este dato los días de
tormenta definiendo como tal un día en que se oye el trueno, por
lo menos una vez,
durante el mismo. Hay una relación estadística que permite
calcular los rayos caídos cada
10 días de tormenta.
Esta forma de cálculo ha sido muy criticada por su impresición.
Actualmente se la esta
abandonando para ser sustituida por el registro directo de las
descargas, descontando las
que se realizan entre nubes, lo que, nuevamente introduce
impresición dado que la
relación rayo nube-nube/rayo nube-tierra es solo estadística y
válida para una zona
limitada.
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La cifra que expresa la actividad ceráunica permite calcular la
probabilidad de que un
rayo caiga sobre un edificio de determinadas dimensiones en
planta. Por ejemplo,
supongamos una zona de 20 rayos por km cuadrado por año y un
edificio de 2000 metros
cuadrados de planta. Ya que, según el trabajo de Hatakeyama, los
rayos caen al azar, la
probabilidad es la misma para un metro cuadrado en cualquier
ubicación dentro de la
zona y podemos calcular:
añorayosrayosxañoKm
m /04,0201/1
000.2 2=
o, lo que es lo mismo, 4 rayos cada cien años o 1 rayo cada 25
años.
Figura 8: Impacto de rayos a tierra por milla cuadrada y por
año, según la estimación de C.E.P. Brookes
Esta cifra, tratándose de un fenómeno aleatorio, no hace otra
cosa que evaluar los
riesgos. En nuestra actividad profesional hemos encontrado un
caso en que en una hora
cayeron dos rayos sobre el mismo pararrayos en que el riesgo era
de un rayo cada 120
años.
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TIPIFICACIÓN DEL RAYO COMO RIESGO
La somera descripción del fenómeno rayo que hemos hecho nos
permite caracterizarlo
desde el punto de vista del riesgo. En primer lugar hemos visto
que su generación
depende exclusivamente de los fenómenos que ocurren dentro de
esas máquinas de
producir eléctricidad, las células de tormenta, que se hallan
incluida en número variable
en un frente de tormenta que pasa impulsado por el viento sobre
las estructuras que
deseamos proteger. Ello nos revitaliza la imagen de la mitología
griega que nos muestra a
Zeus tonante repartiendo sin mirar adónde iban a caer sus rayos
desde su nube.
A esta aleatoriedad fundamental sobre el punto de caída del rayo
se agrega otra que
puede o no ser importante: todos los parámetros que hacen al
poder destructivo de los rayos varían enormemente de unos a otros
siguiendo una distribución
estadística conocida como normal con su valor modal. Si el
sistema de protección
que adoptamos depende de algunos de ellos, como ocurre con los
basados en
concentración de gradiente, su operatividad será también
aleatoria.
Esta imagen, válida para los rayos descendentes, varía un poco
para el caso de los
ascendentes. Para estos, la nube de tormenta acercándose va
generando un campo eléctrico creciente en una determinada área de
varios kilómetros cuadrados concentrándose este más en los puntos
más elevados y de punta más aguda. Esto
hará que aquel punto en determinada área que presente más
destacadamente esta
condición sea el de generación de la mayoría de los rayos:
“ascendentes” deformando
esta preferencia la aleatoriedad. Este fenómeno tiene muy poca
influencia en los rayos
“descendentes” (9).
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PROTECCIÓN CONTRA RAYOS
FILOSOFÍA BÁSICA DE PROTECCIÓN
Desde que Franklin, con su experimento famoso del barrilete y el
de Marley, en las cercanias de París (9), probará el carácter
eléctrico del rayo, se ha puesto mucha
imaginación y estudio para resolver el problema de preservar
vidas y haciendas de sus
destructivos efectos. No trataremos de hacer aquí la historia de
esos desarrollos pero es
fundamental que sentemos los principios en que se basan.
Ya hemos dejado establecido que todos los efectos destructivos
del rayo se relacionan
con los fenómenos asociados a sus poderosas corrientes
pulsantes. Por lo tanto todo
sistema de protección debe apuntar a sacar lo que se quiere
proteger de su camino y ello
es lo que pretenden hacer los diferentes sistemas desarrollados,
que intentaremos
caracterizar.
1) SISTEMAS BASADOS EN LA CONCENTRACIÓN DEL GRADIENTE
ELÉCTRICO
La primera idea que se le ocurre a Franklin, que expone en su
comunicación a la Academia de Ciencias y en la correspondiente
adición de su “Poor Richard’s Almanac” es el de crear un punto que
sea el más adecuado para que se produzca el salto de la corriente
de retorno y desde allí manejar dicha corriente en su camino
desde
tierra. Fué así que ideó colocar en el punto más elevado del
edificio a proteger una varilla
de hierro “aguzada como aguja” y conectarla por medio de un
conductor metálico. Aparecen, por primera vez, los tres elementos
básicos de un sistema de pararrayos: la punta captora, la bajada y
la toma de tierra.
La punta captora es el elemento principal que crea, dada las
condiciones físicas de la
construcción del sistema (es el punto puesto a tierra más
cercano al rayo que avanza ya
que es el más alto, gran concentración de gradiente - ya que se
aguza lo más posible
con ese fin), es además el punto más probable dentro de la zona
protegida, de partida de
la corriente de retorno.
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El sistema se completa con el conductor que une la punta a la
tierra llamado bajada
del pararrayo y con un elemento captor en tierra de los iones
que forman la corriente de
retorno, denominado toma de tierra.
La Figura 9 ilustra los elementos básicos de un pararrayos
Franklin y su operación. Este conjunto, que en épopcas de Franklin
formaba todo el sistema protector ha sido
completado, con la evolución de la técnica, con un sistema de
dispositivo accesorios pues
demostró ser insuficiente. Hoy en día reservamos para él, el
nombre de “protección
primaria” y para el conjunto de los segundos el de “protección
secundaria”. Esta última
denominación no quiere expresar que el segundo subsistema es de
menor importancia,
ya que el sistema no funciona con la seguridad que puede
proporcionar si no es completo,
sino que es la segunda línea de éste.
Figura 9: El pararrayos de Franklin.
EL HILO DE GUARDIA
Hay situaciones en que la punta de Franklin no resulta práctica.
Es el caso en que la zona a proteger es muy extendida en longitud y
limitada en su ancho.
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Tipico es el problema de las líneas de conducción de energía
eléctrica, telefónicas,
aéreas, etc. Para este caso se recurre al hilo de guardia que
está constituido por un conductor colocado sobre los cables que se
desea protejer, a una cierta altura sobre los
mismos. La descarga a tierra se hace por medio de bajadas y
tomas de tierra situadas a no
mucha distancia una de otras, generalmente en todas las torres
de soporte de la línea.
Puede considerarse este sistema, que también ha sido utilizado
con exito en la protección
de viviendas rurales, como una serie contínua de puntas
Franklin.
La Figura 10 ilustra el uso del hilo de guardia para proteger
líneas de alta tensión y la
Figura 11 el uso del mismo hecho en Polonia para un exitoso
programa masivo de
protección de viviendas rurales.
Figura 10: El hilo de guardia
EL HILO PERIMETRAL
Es de observación diaria para quien está dedicado al tema de
rayo que cuando éste
impacta un edificio no protegido lo hace con preferencia sobre
las aristas y, sobre todo,
con gran frecuencia sobre los ángulos diedros que estas forman.
La explicación física es que, al ser estos lugares superficies
constituyen puntos de concentración del gradiente eléctrico.
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Esta comprobación a generado la idea de correr acompañando estas
aristas e hilos
perimetrales, puestos a tierra. Las normas de los diferentes
países establecen distancias
máximas y ubicación de las bajadas y tomas de tierra (10) y
distancias máximas entre los
conductores de la malla.
Figura 11: El hilo de guardia usado en Polonia para protección
de viviendas rurales.
La Figura 12 muestra un edificio protegido por el sistema del
hilo perimetral según la
norma de la Underwriter’s Laboratories. Cabe destacar que la
últimas investigaciones
parecen demostrar que las puntas Franklin colocadas en la parte
superior son
innecesarias pero esta norma aún no las ha eliminado en su
última edición.
Figura 12: El hilo perimetral (Protección Primaria)
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Esta construcción se denomina vulgarmente en nuestro medio
“Jaula de Faraday”
cometiendo un serio error conceptual que más adelante
clarificaremos. Este error no es
puramente académico ya que para nuestro fines puede llevarnos a
serias equivocaciones:
la jaula de Faraday es un sistema de “riesgo 0” mientras que el
sistema de la Figura 12
ni si quiera llega a dar la protección de los otros miembros de
la familia dentro de lo que
se considera su zona de protección. Para algunos autores,
construidos dentro de las
dimensiones máximas permitidas por la normas, su protección
alcanza solo al veinte por
ciento de estos.
PARARRAYOS ACTIVOS: EL PARARRAYOS RADIOACTIVO
El problema de la protección de grandes superficies que estan
pobres y costosamente
resuelve el método anterior, es solucionado en forma mucho más
económica por el
pararrayos radiactivo.
Si bien actualmente su uso está prohibido en nuestro país como
en otros países del
mundo entero debido a la alta emisión de radioactividad de estos
pararrayos, corresponde
el expresar los conceptos fundamentales o principios de su
funcionamiento, ya que el
mismo “es el precursor” de todos los pararrayos activos de gran
radio de acción,
existentes hoy en el mercado.
Este pararrayos mejora el funcionamiento de la punta Franklin -
deteriorando la rigidez
dieléctrica del aire que la circunda agregando “isótopos”
radiactivos en su inmediata cercanía. Estos “isótopos”, por la
acción ionizante de la “radiación alfa”, ionizan
fuertemente el aire que rodean la punta.
En estas condiciones el salto de la corriente de retorno es
inducido por el rayo desde
una mayor distancia lo que aumenta el radio de acción de la
punta (11).
La Figura 13 muestra un esquema del pararrayos radiactivo
conocido en nuestra plaza
por IONOCAPTOR, seleccionado para ejemplificar por que tiene
incluidos todos los
elementos necesarios para su correcto funcionamiento.
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Puede aparecerse en la figura la punta Franklin y la ubicación
de los elementos
radiactivos. Sobre estos elementos debemos destacar que, si bien
en la primera etapa
todo los radiactivos usaron Radium Ra 226, en la actualidad
prácticamente todo lo han
reemplazado por Americio Am 241. La razón es que el radium es un
elemento
contaminante y el Americio no.
Figura 13: Pararrayos radiactivo IONOCAPTOR
El acelerador y el enfocador iónico, separados por el aislador
forman un sistema
destinado a mantener los iones generados por el bombardero de
las partículas alfa en su
correcta posición aunque soplen vientos cruzados y no deben
faltar en un diseño
moderno.
Para una explicación del funcionamiento de este dispositivo
remitimos a quien esté
interesado a la referencia 3.
PARARRAYO IÓNICO DE GRAN RADIO DE ACCIÓN PROTEC-THOR MV-2K
Protec-thor MV-2K es un poderoso ionizador del aire en sus
inmediaciones. Está
equipado con emisor de iones y de un acelerador de partículas
polarizadas. Ambos son
energizados por el campo electrostático de la nube de tormenta y
luego, con mayor
intensidad, por el rayo que se acerca. Esto marca fundamentales
diferencias con el
pararrayos radioactivo, con el que no debe confundirse.
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Las diferencias mencionadas son:
• Salvo alguna excepción, el pararrayos radioactivo sólo tiene
elementos emisores y no
aceleradores.
• La cantidad de ionización que produce el radioactivo es
constante, y no depende del
rayo sino de la cantidad de isótopo radioactivo.
• La emisión y potencia del acelerador del Protec-thor MV-2K se
incrementa en forma
directamente proporcional al cuadrado de la disminución de la
distancia. A medida que
el líder de pasos se acerca, se incrementa la cantidad de iones
producidos por efecto
Townsend. Queda así superada la incapacidad de radioactivo.
• La punta Franklin se dispara cuando en sus cercanías se
produce, por efecto de la
tensión en la punta del rayo que se acerca, un gradiente de 6
Kv/cm. Este es un valor
característico del aire a temperatura y presión normales. La
ionización producida por
los emisores y acelerador del Protec-thor MV-2K se incrementa
grandemente al
acercarse el rayo, lo que deteriora la rigidez dieléctrica del
aire y disminuye
notablemente el gradiente de disparo del pararrayos. Esto hace
que un mismo rayo
induzca el retorno cuando el líder de pasos esta mas lejos, lo
que explica la mayor
área de protección del Protec-thor MV-2K.
Pararrayos iónico Protec-thor MV-2K
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ENSAYO DEL PARARRAYOS MV-2K EN EL INTI – SEPTIEMBRE DE 2000
Fotografía: Ensayo del pararrayos Iónico MV-2K realizado en
laboratorios del INTI en septiembre de 2000.
INSTALACIÓN DE UN PARARRAYOS IÓNICO PROTEC-THOR MV-2K
Instalación típica:
La máxima altura a la que debe instalarse un
pararrayos Protec-thor MV-2K para ser eficiente es
40 mts. sobre el nivel del suelo. Si se instala sobre
azoteas de mayor altura solo deben considerarse
como protegidas las áreas situadas hasta 40 m por
debajo de su nivel.
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CÁLCULO DE ÁREAS PROTEGIDAS: Primer paso:
• Determine las diferentes cotas,
tomando como base cortes de la
zona a proteger.
• Adopte una altura tentativa para el
pararrayos.
• Calcule los diferentes valores de
∆h entre el pararrayos y la zona a
proteger.
Segundo paso:
• En base a las diferencias de cotas
y la tabla adjunta, determine las
zonas protegidas en un plano de
planta.
• Si quedan zonas sin protección,
antes de decidirse a colocar un
segundo pararrayos, considere
levantar el ya ubicado; puede ser
más barato.
• El riesgo es una probabilidad.
Cuando se superponen dos áreas
al mismo nivel, como en la figura,
el riesgo de que ambas sean
violadas por un rayo se obtiene
como producto de ambas
probabilidades. Si el de cada área
es del 1 %, el de ambas
superpuestas es de 0,01 x 0,01 =
0,001. La seguridad aumentó.
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EVALUACIÓN DEL “SISTEMA DE CONCENTRACIÓN DE GRADIENTE” DESDE EL
PUNTO DE VISTA DE LA
SEGURIDAD
El sistema depende, para su operación de la tensión del rayo y
de la distancia a que
pasa de la punta (9). Hay rayos sumamente débiles que, no por
serlo dentro de la escala de tensiones que se manejan, dejan de
producir estragos, que aún pasando muy cerca de la punta captora no
la operan. Por lo tanto el sistema si bien disminuye el riesgo, no
lo elimina. Es, por lo tanto, siempre un sistema de riesgo
residual. Las
áreas más restringidas que han sido investigadas tienen un
riesgo residual de 0,1%, vale
decir que de 1000 rayos que caigan sobre la zona protegída solo
uno no será
interceptados por el pararrayos.
Esta probabilidad es pequeñísima pero para evaluarla debemos
considerar que en una
jugada de lotería en que hay 40.000 números que participan la
probabilidad de acertar el
primer premio es de 1/40.000 o sea 0,000025 o 0,0025%, 25
milésimos de la probabilidad de que un rayo viole la zona más
restringida protegida por un pararrayos de punta. Sin embargo en
todas las jugadas hay alguien a quien le cayó
“el rayo”.
Figura 14: Principio de formación de un plano equipotencial.
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Lo anterior es solo para “tipificar” el fenómeno aleatorio. La
disminución del riesgo es
real: si tenemos un pararrayos cuya zona de protección, en las
condiciones anteriores,
sea 100 metros cuadrados situado en un área cuya actividad
ceráunica es de 25 rayos
por Kilómetro cuadrado y por año con la probabilidad de que un
rayo caiga sobre ella es
de 25/0,0001 = 0,0025 y la de que no sea interceptado por el
pararrayos 0,0025 x 0,001 = 0,000025.
Por suerte existen a la fecha estadísticas que permiten evaluar
la bondad del sistema.
Quizas el ejemplo más espectacular sea el Campanile de San Marco
de Venecia, torre
de casi 115 metros de alto que fue dañada por el rayo en 1.388,
1.548, 1.565 y 1.653. Fue
destruida y reconstruida nuevamente en 1.417, 1.489, 1.745,
1.761 y 1.762. En 1.766 se proveyó del entonces novísimo sistema
inventado por Franklin en 1753 sin que
hasta la fecha, más de 2 siglos despues haya sufrido daño
alguno. Otro ejemplo es la Catedral de Siena, muy galpeada por el
rayo en 1.777 en que se
la protege con el sistema de Franklin, sin sufrir daños desde
entonces. Las
estadisticas de las compañías transportadoras de electricidad en
que, por las gran
superficie abarcada por las líneas, tiene oportunidad de
cumplirse la ley de los grandes
números, dan prueba de eficiencia del sistema dentro de los
márgenes de riesgo
aceptados.
2) SISTEMAS BASADOS EN LA CREACIÓN DE PLANOS DE TIERRA “LA
PROTECCIÓN DE MELSEN”
A fines del siglo pasado, en 1884, el físico Belga Melsen tuvo
la idea de utilizar como
elemento captor del rayo un plano de tierra extendido sobre la
estructura a proteger, como
si fuera un techo. “Para ello utilizó un corolario de la
experiencia de Faraday” que comentamos más adelante que dice que:
si se tiene dos conductores al mismo
potencial suficientemente cercanos, el campo eléctrico se cierra
aproximadamente al mismo potencial entre ellos. La figura 15
ilustra este principio.
Basándose en esa idea Melsen proyectó cruzar a cierta distancia
sobre la estructura a
proteger dos alambres puestos a tierra. La Figura 15 ilustra el
dispositivo ideado.
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Figura 15, 16: Tanque protegido por el Sistema de Melsen
Esta protección resultó ser de gran eficiencia dado que en la
zona central se forma un
verdadero plano de tierra que impide la formación de la descarga
bajo de él. La unica precaución a tener en cuenta es que haya
suficiente “distancia” entre la parte más
baja de la “catenaria” que forman los hilos y la estructura
protegida, por dos razones: en primer lugar, si no hay suficiente
altura, las superficies equipotenciales entre los dos alambres no
alcanzan a unirse y la estructura queda desprotegida y, en segundo
al recorrer la corriente de retorno la impedancia ofrecidas por las
tomas
de tierra y los conductores produce fuertes elevaciones de
tensión lo que puede conducir a descargas secundarias entre estos y
la estructura lo que equivale a recibir directamente al impacto del
rayo.
La teorización sobre el sistema elaborado por Melsen nos llevó a
implementar una
costrucción mas elaborada que se muetran en lineas punteadas en
la Figura 15/16.
Los techos metálicos, adecuadamente puestos a tierras, si tienen
continuidad eléctrica
suficiente, son el caso límite del plano de tierra de
“Melsen”.
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Sobre estos, desde el punto de vista de la seguridad, debemos
hacer una
observación: el techo formado por chapas superpuestas, caso
chapa acanalada cincada,
tiene suficiente continuidad eléctrica con respecto a las
tensiones que se manejan en el
rayo y son totalmente aptos como elemento captor. Un mal
contacto entre chapas producirá, al ser corrido por la corriente de
retorno, pequeñas chispas sin relevancia alguna, salvo en el caso
en que el ambiente que cubre sea del tipo explosivo (Clase I,
Divición I del NEC). En este caso no debe emplearse y solo
puede
utilizarse el techo metálico autoportante, plegado y soldado,
con muchas restricciones en
cuanto a su espesor debido a la posibilidad de
perforaciones.
Queda como riesgo el hecho de que las tomas de tierra o las
bajadas puedan tener
demasiada impedancia o que, por estar demasiado separadas, el
recorrido de la corriente
de retorno entre estas y el punto de incidencia del rayo sea
excesivo. En cualquiera de estos casos, el techo adquiere demasiado
potencial pudiéndose producir descargas
entre el mismo y estructuras anteriores puestas a tierra como
cañerias. Un ejemplo
espectacular de este accidente se dió en los hangares del
aeropuerto de Johannesburgo
en Sudáfrica.
Se confió el papel de bajada a la mampostería de los muros y,
por ser estos de
conductividad insuficiente, en dos oportunidades se produjeron
descargas secundarias en
su interior ocacionando una de ellas la muerte de dos
personas.
Para evitar el excesivo recorrido entre bajadas y punto de
incidencia se adopta
generalmente, como distancia máxima la fijada por las normas
para el caso de las mallas de techo a que nos hemos referido
anteriormente.
EVALUACIÓN DEL SISTEMA DE FORMACIÓN DE PLANOS DE TIERRA DESDE EL
PUNTO DE VISTA DE LA
SEGURIDAD
Si el sistema está bien construido, para todo lo que se halla
debajo del plano de tierra
solo queda un riesgo residual: el que, por tener las diferentes
tomas de tierras, hay diferentes resistencias, pueden generarse
diferencias de potencial entre las mismas
que, en determinadas circunstancias, pueden producir
chispas.
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El riesgo se elimina uniendo todas las tierras con un anillo
metálico perimetral con lo
que todo el sistema quedará equipotenciado acercándose a una
jaula de Faraday que
comentaremos enseguida.
En las condiciones que hemos desarrollado el sistema es de
riesgo cero para el impacto directo del rayo, por lo que suele
utilizárselo en ciertas circunstancias aún
cuando concideraciones ajenas a la técnica, como estéticas o
económicas se opongan a
ello.
3) LA JAULA DE FARADAY
Michel Faraday, genio de la física dedicado particularmente a la
electricidad probó teórica y prácticamente que el campo electrico
no se propaga en un espacio
cerrado por una superficie metálica continua, de conductividad
infinita. También
demostró que si, en lugar de ser continua, esta superficie está
formada por un tejido
metalico de malla suficintemente cerrada, lo anterior se cumple
con gran aproximación.
No existiendo campo eléctrico, no hay posibilidad de existencia
de diferencias de
potencial y por lo tanto no se generan corrientes. Si se logra
un cituación de este tipo, todo lo contenido en el espacio
encerrado por la superficie metálica es inmune al rayo.
Un ejemplo de esto es un automovil de modelo sedan. Hay
inumerables ejemplos
experimentales en que las fotografías prueban que los pasajeros
no son en absoluto
perturbados por la caida de un rayo sobre el techo.
Las contrucciones de hormigon armado, si se cuida de dar
continuidad a las armaduras de piso, estructuras, paredes y techos
permiten construir jaulas de Faraday muy eficientes y de poco costo
adicional, con la importante ventaja de que
las zapatas de fundación de las columnas y las armaduras de las
lozas de los pisos son unas efientísimas tomas de tierra que no
requieren construción adicional alguna.
Cualquier construcción metálica cerrada como, por Ej. Un tanque
de combustible
constituye una jaula de Faraday.
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La única precaución que debe tomarse para evitar la formación de
chispas entre él y el
suelo es ponerlo eficientemente a tierra por medio de jabalinas
enterradas a distancia suficiente una de otra para evitar la
formación de diferencias de potencial
entre ellas.
Para terminar con este sistema de protección debemos dedicar un
párrafo a establecer
las condiciones que diferencian la jaula de Faraday de los otros
sistemas que muchas veces se confunden con ella.
Para que exista jaula de Faraday el espacio protegido debe
quedar completamente
encerrado por la misma. Es la única manera de conseguir la
producción del hecho físico de que el campo eléctrico no se
propague en su interior. Las vulgarmente mal
llamadas “jaulas de Faraday” que consisten en la costrucción de
mallas de protección que
hemos visto como accesorios de los hilos perimetrales y los
planos de tierra, con
múltiples bajadas no pasan de esto aunque, para evitar las
diferencias de potencial entre
las tomas de tierra se las une, como hemos visto, por medio de
un anillo perimetral
cerrado. El campo eléctrico sigue ingresando por los costados y
la parte inferior
dentro de la estructura fallando la premisa fundamental de la
construcción.
EVALUACION DE LA JAULA DE FARADAY DESDE EL PUNTO DE VISTA DE LA
SEGURIDAD
Si está bien construida, lográndose evitar la propagación del
campo eléctrico generado
por el rayo dentro del abiente protegido es una disposición de
riesgo cero para el mismo,
tanto para el impacto directo como para las inducciones que
generan sus efectos
indirectos.
A veces es un sistema muy costoso pero no lo es cuando el método
de construcción lo facilita, por Ej. Cuando se trata de estructuras
de hormigon armado,
sobre todo cuando el proyecto de protección se hace desde el
principio con el proyecto
del edificio. Por lo general no se presentan las inhibiciones
estéticas que suelen proscribir a las construcciones Melsen.
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4) LOS SISTEMAS DE DISIPACIÓN
En sus trabajos Franklin prestó principal atención a la
producción de corriente que teóricamente debían producirse en la
punta de su pararrayos yendo a
neutralizar las cargas de la nube. En reiteradas oportunidades
se quejó de que este
aspecto preventivo no fuera tenido en cuenta (12).
Estas ideas de Franklin llevaron al polaco Prokof Divish, “curé”
de Preudoz, en
Moravia, a crear en 1.754 lo que llamó una máquina meteorológica
destinada a neutralizar
las cargas generadas en la nube y, con ello, evitar la
producción del rayo (13). Consistía en un pararrayos con dos mil
puntas conectado a una toma de tierra por una bajada. Estas dos
últimas no diferían de las ideadas por Franklin.
La experiencia, luego de múltip