Protección contra sobretensiones causadas por rayos

La naturaleza pone retos, pero la ingeniería de protección contra rayos ha logrado avances considerables; es el caso de las sobretensiones.

El mapa de intensidad de tormentas eléctricas ha permitido adoptar medidas para reducir las fallas de transmisión y distribución de energía eléctrica.

Por Carlos López Vázquez.

Un rayo es una descarga electrostática natural muy poderosa, que se produce durante una tormenta eléctrica que genera un “pulso electromagnético”. La descarga eléctrica que se precipita del rayo se acompaña de una emisión de luz y de sonido. La luz, conocida como relámpago, se origina por el paso de corriente eléctrica que ioniza las moléculas de aire, y el sonido, conocido como trueno, se desarrolla por la onda de choque. El rayo puede cruzar kilómetros de distancia y se origina en un tipo de nube llamada cumulonimbus o nube de tormenta.

Por la forma en la que circulan, los rayos se pueden clasificar en tres tipos: los que circulan de las nubes a la tierra, los que viajan de la tierra hacia las nubes y los que circulan entre nubes. El impacto de un rayo provoca destrucción. Cuando se impacta con una instalación en la que hay materiales combustibles se pueden producir importantes incendios. Cuando un rayo impacta una instalación, éste siempre buscará el camino a tierra de más baja impedancia y por él circulará hasta tierra. Si el conductor tiene algún equipo eléctrico conectado y es atravesado por esa corriente, muy probablemente será destruido. Las instalaciones eléctricas y electrónicas son afectadas por los rayos aun cuando el impacto no sea directo, pues la inducción electromagnética genera sobrevoltajes en ellos en una región de hasta 2 km a la redonda del punto de impacto del rayo.

En la actualidad, equipos como teléfonos, máquinas de fax, computadoras, servidores y redes son elementos mínimos de la operación de cualquier empresa, e incluso los actuales edificios inteligentes con amplios y complejos sistemas de automatización se encuentran ya íntimamente asociados con los procesos productivos. Es indispensable garantizar su funcionamiento en todo momento, aun durante tormentas eléctricas, por lo cual la protección contra rayos y sobtretensiones es esencial.

El nivel Isoceráunico y las fallas eléctricas
De acuerdo con estudios realizados por la National Aeronautics and Space Administration (NASA), cada segundo caen en el mundo 40 rayos y hay unas 2 mil tormentas eléctricas. Para conocer más sobre el comportamiento de esta imponente fuerza de la naturaleza, los científicos de esta agencia espacial realizaron un mapa global de incidencia de rayos, con datos recabados entre 1995 y 2005, a partir del cual es posible reconocer que, en el mundo, caen un promedio anual de mil 200 millones de rayos que se concentran principalmente en los continentes (es decir, en tierra), en la zona ecuatorial y en  las grandes regiones montañosas.

La cantidad de rayos que la NASA ha establecido como la media mundial es de seis por kilómetro cuadrado al año; sin embargo, resaltan algunos casos, como el de la villa de Kifuka, en la República del Congo, donde se ha registrado un promedio de 158 rayos por kilómetro cuadrado al año.

En México, también tenemos a nuestra disposición un mapa de Nivel Isoceráunico, en el cual se especifica el promedio anual de densidad de rayos a tierra, el cual fue realizado en conjunto por la CFE  y el IIE, con datos recabados de 1983 a 1993. Este mapa revela que hay estados en los que se alcanza una incidencia de hasta 9 rayos por kilómetro cuadrado al año, lo que los coloca por arriba de la media mundial establecida por la NASA.

Algunos de los estados con mayor registro de rayos por kilómetro cuadrado en nuestro país son Campeche, Chiapas, Distrito Federal, Guerrero, Estado de México, Michoacán, Morelos, Tabasco y Yucatán. Frente a este escenario, en nuestro país es preponderante establecer medidas de protección contra los efectos que esta fuerza de la naturaleza tiene sobre las actividades humanas.

De acuerdo con el boletín electrónico Brújula de Compra, de la Profeco, las fallas eléctricas que se presentan con mayor frecuencia en nuestro país se producen debido a picos de voltaje (aumento drástico e instantáneo, principalmente producidos por un rayo), variaciones de voltaje (altas o bajas en la red de suministro de energía) y apagones (pérdida total de la energía, causada normalmente por sobredemanda a la red de distribución o rayos).

A partir del estudio realizado para establecer el mapa de intensidad de tormentas eléctricas, se logró conocer el desarrollo del fenómeno del rayo en nuestro país y por consecuencia adoptar medidas que permitieran reducir las fallas en la transmisión y distribución de energía eléctrica.

A lo largo de los años, se ha realizado diversos ajustes a los diseños y líneas de transmisión eléctrica; entre ellos, uno de los más destacados –realizado también a mediados de 1990– fue la definición de una metodología para instalar pararrayos de manera selectiva, conforme a la información de la intensidad de las tormentas eléctricas y la estadística de operación de las líneas. Con esto, fue posible reducir a la mitad o hasta un tercio la incidencia de fallas en líneas que continuaban siendo problemáticas, haciendo evidente la utilidad de estos sistemas para controlar y reducir los daños producidos por las sobretensiones transitorias originadas por rayos.

Daños ocasionados por las sobretensiones
Las sobretensiones transitorias (o de corta duración) en los sistemas eléctricos se han presentado desde que se empezó a emplear la energía eléctrica; pero ha sido en los últimos años en que el uso masivo de la electrónica digital en todos los ámbitos de la vida, con componentes electrónicos de tamaño reducido, niveles de voltaje de operación bajos y baja capacidad para absorber la energía proveniente de las sobretensiones, cuando más se ha requerido disponer de un sistema de protección que garantice la integridad de los equipos y su operación contra el impacto directo de los rayos, las sobretensiones eléctricas y los posibles riesgos de la energía eléctrica –un trínomio de seguridad.

Los daños generalmente ocasionados por rayos y sobretensiones van desde incendios, daños en los equipos, pérdidas de información, daños en equipos médicos de alta tecnología, daños a los equipos y sistemas de instrumentación en el control de procesos, centrales telefónicas, equipos de seguridad, como centrales de incendio, robo y atraco, sistemas de CCTV y control de acceso, hasta importantes pérdidas de producción. Por ello es innegable el importante impacto del fenómeno en la operación de toda clase de negocios y casas habitación, ya que constituye una de las principales causas de daños a los aparatos eléctricos y electrónicos, además del inminente riesgo que representa para las personas alguna de las consecuencias de estos daños.

La protección externa contra rayos por sí sola no garantiza una protección completa, ya que, si bien protege contra incendios y otros daños en los edificios, no puede impedir que la energía destructiva de un rayo en las proximidades de una construcción penetre en la instalación a través de cables y conductores, ocasionando deterioro o destrucción de equipos eléctricos y electrónicos. Aun cuando la corriente de rayo no incida directamente en las instalaciones, la inducción electromagnética ocasionada por un rayo que cae en las proximidades (hasta una distancia aproximada de 2 km) puede ocasionar sobretensiones. Otra de las causas frecuentes de falla en aparatos electrónicos y sistemas informáticos es la variación de voltaje en las redes de energía, por fortuna también es posible proveer protección contra esta forma de sobretensiones.

Normas reguladoras y cultura de prevención
En el mundo entero existen Normas que buscan vigilar el cumplimiento de las condiciones mínimas necesarias para contar con la protección adecuada, tanto para las estructuras expuestas a la fuerza de la electricidad, como para las personas que habitan estas instalaciones o bien trabajan con sistemas eléctricos. En este sentido, México cuenta con diversas normas, como la NOM-001-SEDE-2005 (Utilización de Instalaciones Eléctricas), la NOM-022-STPS-2008 (Electricidad Estática en los Centros de Trabajo) o la NMX-J-549-ANCE-2005 (Sistemas de Protección contra Tormentas Eléctricas, Especificaciones Materiales y Métodos de Medición).

Esta última es particularmente relevante, ya que establece específicamente la instalación de un “Sistema integral de protección contra tormentas eléctricas para reducir el riesgo de daño para las personas, seres vivos, estructuras, edificios y su contenido”. De acuerdo con la NMX-J-549-ANCE-2005, es indispensable que en estructuras y edificios de uso común, estructuras y edificios con riesgo de fuego y explosión, estructuras y edificios con equipo sensible y de cualquier altura, o bien, torres de telecomunicaciones con equipos y antenas asociadas se cuenten con tres elementos fundamentales: 1) Valoración de Riesgo; 2) Diseño de Sistema Externo de Protección contra Tormentas Eléctricas (SEPTE); 3) Diseño de Sistema Interno de Protección contra Tormentas Eléctricas (SIPTE).

Afortunadamente, en la actualidad, gracias a la inversión en investigación y desarrollo de algunas empresas, es posible crear sistemas de protección efectivos y seguros para instalaciones y sistemas contra los efectos de las descargas de rayo y sobretensiones de muy distinto origen. Cuando se habla de proteger, no sólo los activos de una empresa, sino al personal que en ella trabaja, se habla en realidad del convencimiento de contar con una cultura de prevención; por ello, es importante recurrir a asesoría especializada, que considere tanto el diseño, como la instalación de sistemas de protección  de  última tecnología y alta calidad contra rayos.

Consideraciones al invertir en protección contra rayos, sobretensiones y trabajos en tensión
Existen actualmente diferentes aparatos de protección contra sobretensiones, según la finalidad buscada. Para asegurar una protección completa contra sobretensiones, es necesario proteger tanto la alimentación de corriente como la entrada de datos; por ello resulta importante considerar dos tipos de aparatos de protección: los descargadores de corriente de rayo y descargadores de sobretensiones. Estos pueden proveer sistemas de protección coordinada contra sobretensiones para gran cantidad de aplicaciones. Los sistemas modulares ofrecen, por un costo optimizado, el ajuste de un sistema de protección contra rayos y sobretensiones para todo tipo de instalaciones industriales, compañías de servicio y tamaños de plantas.

Es importante que los dispositivos que se ofrezcan cumplan con pruebas y estándares internacionales, para poder ser comparables en el costo-beneficio de las aplicaciones, así como ser manufacturados bajo sistemas certificados de calidad.

Considere que estará invirtiendo en la seguridad de sus bienes y propiedades, así como en la continuidad de su operación al proteger sus instalaciones contra los riesgos y daños causados por la electricidad de las tormentas y contra los riesgos derivados de la corriente eléctrica, por lo que la orientación que requiere de parte de cualquier proveedor debe fundamentarse en las más altas exigencias en el desarrollo y evolución de los productos que le ofrezcan, los cuales deberán estar siempre acuerdo con el más reciente estado de la técnica.

Con la creciente incidencia de tormentas eléctricas en los últimos años, la cultura de prevención con el objetivo de proteger vidas y activos materiales de los daños causados por los rayos y sobretensiones en las instalaciones de todo tipo deberá de cobrar mayor relevancia en México y en el mundo.
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Carlos López Vázquez
Ingeniero Mecánico  por la Universidad Regiomontana, con más de 10 años en la industria de la protección contra rayos y seis distribuyendo productos y soluciones en el país. Actualmente, es director General en Dehn Protection México, la recién inaugurada filial de la líder alemana DENH + SÖHNE.