Ingeniería de alto nivel en rayos

90 por ciento de las personas alcanzadas por  rayos sobreviven con daños en el sistema nervioso, problemas motrices y pérdida de la memoria.

Contrario a las creencias populares, nada en la naturaleza atrae los rayos. Lo que con certeza se puede decir es que son un fenómeno natural con manifestaciones eléctricas intensas, del orden de entre tres y 200 kA, y genera hasta 400 mil kV.

Por Braulio Alzate Duque.

El aumento gradual de la demanda de equipos eléctricos y electrónicos plantea una serie de problemas asociados con las perturbaciones que el rayo ocasiona y que han sido abordados de forma rigurosa en el entorno académico de algunas universidades, como la Universidad Nacional de Colombia, donde un grupo de estudiantes y profesores presentan desarrollos tecnológicos de gran impacto mundial.

El primer paso para interpretar el fenómeno es asociarlo y describirlo en idioma de ingenieros; por lo tanto, habrá que decir que el rayo es parte de un circuito eléctrico global que regula la acumulación de carga, tanto en la superficie de la tierra como en la ionósfera.

Imagen 1. Circuito eléctrico global

En este modelo (ver imagen 1), tenemos todos los componentes de un circuito eléctrico al cual aplicarle las premisas que la ingeniería ha logrado establecer y que en términos académicos denominaríamos como las ecuaciones de Maxwell. En el modelo está presente el punto de partida de las cargas eléctricas, un medio a través del cual fluyen y un punto de llegada de estas cargas.

La manifestación eléctrica de interés es la corriente eléctrica que, para el caso, se presenta en forma de descarga o rayo, y como se muestra en el modelo, son sólo dos de las manifestaciones de la electricidad.

México se ubica en una zona de muy alta densidad de descargas a tierra. Una muestra de ello es la red de localización mundial de rayos de la NASA, la cual demuestra que el problema existe y se deben analizar sus consecuencias.

Navegación aérea

• Las pérdidas en un aeropuerto comercial alcanzan 6 millones de dólares a causa de cierres, según datos de la Federal Aviation Administration (FAA)
• Las tormentas eléctricas tienen asociados fenómenos atmosféricos, conocidos como microrráfagas, causantes de múltiples accidentes

Sector petrolero

• Las pérdidas pueden superar 1 millón de dólares al día por daños en campo de producción
• 38 por ciento de las salidas de producción son causadas por rayos
• En Dronka, Egipto, 1994, el incendio causado por un rayo en un depósito de combustible dejó 530 muertos

Compañías eléctricas

• 60 por ciento de las fallas del STN son debidas a rayos
• Más del 70 por ciento de los eventos de calidad de energía se deben a los rayos
• Compañías que se encuentran en zonas con alta actividad de rayos tienen un índice de pérdidas que asciende hasta 5 millones de dólares
• Más del 80 por ciento de los daños en los equipos eléctricos y electrónicos se deben a zonas con alta actividad de rayos

Compañías aseguradoras

• No se cuenta con la tecnología adecuada para definir si un daño en propiedad fue debido a un rayo

Empresas de ingeniería

• Para toda edificación se requiere un estudio de riesgo por rayos
• El diseño de sistemas de protección contra rayos depende de los parámetros del fenómeno

La tarea de la ingeniería moderna es identificar las medidas de protección que se deben emplear para mitigar los riesgos a los que se encuentra expuesta una determinada instalación; por ello, se muestra lo que es un Sistema Integral de Protección contra Rayos (SIPRA), que contempla las medidas de protección contra los efectos directos e indirectos del fenómeno.

1. Sistema de protección externo. Es un conjunto de elementos conductores que tienen la capacidad mecánica y térmica de soportar el impacto de un rayo, y que se encuentran ubicados de acuerdo con un diseño que utiliza el método electrogeométrico.
2. Sistema de protección interno. Es un conjunto de dispositivos (DPS, Dispositivos de Protección contra Sobretensiones transitorias), con capacidad de drenar a tierra las corrientes conducidas o inducidas en cada punto del sistema eléctrico, a través del cual se pueda acoplar un rayo. También aplica para acometidas de servicios de comunicación.
3. Sistema de prevención. Es un conjunto de herramientas de ingeniería que propenden a evitar la exposición de las instalaciones o de las personas al rayo, entre las cuales, se encuentra una guía de protección personal y un sistema de detección de rayos.

Figura 2. Impacto de rayo en pista de aterrizaje

Existen varios modelos de equipos de detección de rayos que se diferencian por su capacidad de identificar las fases de la tormenta, desde su inicio hasta su fin, y por su capacidad de identificar los tipos de rayos que ocurren, que pueden ser por ejemplo intranube o nube-tierra.

Clase I. Sistemas que detectan una tormenta en todo su ciclo de vida
Clase II. Sistemas que detectan únicamente actividad de rayos IC y CG (actividad total de rayos)
Clase III. Sistemas que detectan únicamente actividad de rayos CG
Clase IV. Sistemas que detectan rayos CG u otra señal electromagnética con una eficiencia muy limitada

IC: Intranube
CG: Nube-tierra

Figura 3.  Comportamiento del campo eléctrico en una instalación por efecto de un rayo cercano

La ventaja competitiva de este tipo de equipos radica en el tiempo con el cual pueden predecir una descarga, el radio de cobertura y la cantidad de falsas alarmas que emiten. Aunque el principio de funcionamiento es sustancialmente similar y se basa en la lectura constante del campo electrostático, la implementación en el equipo y el método de posproceso de las lecturas los hace sustancialmente diferentes.

Tecnología Prethor
En el mercado mexicano se tendrán disponibles dos tipos de tecnologías a partir de enero de 2012. La primera de ellas es el desarrollo de una tesis del Doctor en Ingeniería Eléctrica, Daniel Aranguren, en conjunto con el doctor Horacio Torres Sánchez. Ellos presentan al mundo un equipo denominado Prethor (Clase I), que conjuga los términos predicción y tormenta, un sofisticado dispositivo que tiene las siguientes características:

• Monitoreo del crecimiento del potencial eléctrico en el ambiente
• Probabilidad de detección POD superior al 90 por ciento
• Falsas Alarmas FAR de 20 por ciento
• Corto rango (20 km)
• Lead Time corto (15 min)

Esta herramienta pondrá en manos del usuario una plataforma en la cual visualizar en tiempo real el comportamiento de la tormenta desde su formación, permitiéndole emitir alarmas tempranas para tomar decisiones que eviten el daño de sus instalaciones, o bien, desalojar una instalación en la que se encuentre personal expuesto.

Tecnología Linet
De forma simultánea al desarrollo de Prethor en Colombia, la Universidad de Munich-Nowcast desarrolló otra tecnología denominada Linet (Clase II), que tiene las siguientes características:

• Algoritmos de seguimiento de celdas de tormenta
• Amplio rango (cientos de km)
• Lead-Time largo (una hora y superiores)
• Probabilidad de detección POD de 70 por ciento
• Falsas alarmas FAR de hasta 70 por ciento

Este desarrollo también ofrece una plataforma de visualización más sofisticada, que incluye vistas en 2D y 3D del historial de rayos en una zona determinada. Este equipo permitirá monitorear la tormenta desde aproximadamente 400 km y emitir alarmas tempranas con hasta una hora de anticipación. La tecnología se encuentra instalada en Colombia con una cobertura aproximada de 40 por ciento del territorio nacional.

Conclusiones

• Respecto de los rayos, hay un consenso mundial en que no existen medios para evitarlos ni sistemas de protección ciento por ciento eficaces; sin embargo, existen medidas para mitigar los riesgos a seres humanos, cuya efectividad depende de la actitud de las personas para aplicarlas y cumplirlas.
• Aplicar resultados de investigación, normas y reglamentos de protección: NTC4552, 2008 e IEC 62305, NFPA 780, NMX-J 549 ANCE, entre otras, es el primer paso hacia las instalaciones seguras.
• Elaborar y difundir guías de seguridad personal durante tormentas eléctricas, en función de las actividades que se realizan en una instalación.
• Es necesario capacitar al personal para el manejo de riesgos por rayos, principalmente al aire libre.
• Diferenciar los efectos en el cuerpo humano entre un choque eléctrico por descarga AC o DC, y los causados por el impacto de un rayo.
• Investigar sobre efectos biológicos y psicológicos de los rayos (Ceraunomedicina, Ceraunopsicología) y primeros auxilios o tratamientos.
• Un SAT es un sistema compuesto por detectores de tormentas y algoritmos, capaz de seguir la actividad de tormentas en un área de monitoreo y procesar alertas válidas relacionadas con eventos de rayos para un objetivo a proteger específico.

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Braulio Alzate Duque
Es Ingeniero Electricista por la Universidad Nacional de Colombia. Es especialista en Gerencia Integral de Obras por la Escuela de Ingenieros Militares, con más de seis años de dedicación exclusiva al tema de rayos y puestas a tierra. Actualmente es coordinador de ingeniería de la firma KODEK-TI, con sede principal en México, miembros del grupo empresarial SEGELECTRICA, con presencia en más de ocho países.