Rayos. ¿Cómo protegerse de este impredecible fenómeno?

Por José Ordóñez

El famoso experimento de Benjamin Franklin, con un papalote y una punta metálica, fue apenas el comienzo de las investigaciones sobre el fenómeno del rayo. Este hecho constituye, como ha sucedido en múltiples ocasiones en la historia de la ciencia, esa explicación del fenómeno previa al llamado “descubrimiento”. El experimento de Franklin estuvo destinado a mostrar que las nubes estaban electrificadas y, por tanto, que el rayo era un fenómeno eléctrico, nada mágico, misterioso ni de dioses.

En los estudios propuestos por Franklin, y en aquellos que le sucedieron, como los del francés Théodose Barbier de Tinan, no sólo se incluía la punta metálica, sino la especificación de que ésta debía de estar puesta a tierra. Los experimentos demostraron, adicionalmente, que el pararrayos no descarga silenciosamente la energía de la nube, sino que su función es interceptar la descarga o, mejor dicho, ser el punto de intersección, evitando el impacto del fenómeno en un lugar no deseado.

Desde 1752 se realizaron las primeras instalaciones en Francia y Estados Unidos, y comenzó a hablarse de área protegida desde el punto de vista geométrico, así como de la definición de “distancia de impacto” (striking distance), propuesta por Franklin y que en la actualidad sigue siendo tema de numerosas investigaciones y aplicaciones, así como de numerosas críticas y reformulaciones.

Ahora bien, los resultados obtenidos hasta la fecha por las distintas investigaciones hacen que la pregunta ¿cómo combatir el fenómeno? sea imposible de responder, pues el rayo es inevitable, impredecible y fortuito: no es posible alterar su comportamiento natural. Sí es posible responder, en cambio, a la pregunta ¿cómo protegerse? Para llegar a tal punto, es importante desmitificar ciertas creencias que pueden poner en peligro la integridad de las personas, dado que se trata de información imprecisa sobre el comportamiento del fenómeno.

Mitos y verdades

Desde el siglo pasado, hay dos problemas básicos que ocupan a los investigadores. El primero se vincula con la afirmación “un rayo no cae dos veces en el mismo lugar”. Ello es incorrecto, pues se ha comprobado que un rayo puede caer más de una vez en un mismo sitio. Al igual que ésta, otras creencias populares contribuyen a que las personas tengan dudas sobre este asunto y continúen arriesgándose.

Una de las más comunes es pensar que están protegidos por el pararrayos del vecino. Gran error. Hay una confusión incluso mayor: muchos creen que los pararrayos pueden atraer los rayos a sus edificios y, por miedo, se rehúsan a instalarlos. En realidad, el pararrayos es un sistema que brinda un camino seguro para conducir la energía generada entre nube y tierra. Otra duda común es si los pararrayos protegen o no los equipos electrónicos. La protección para este tipo de equipos se logra con aterrizamiento eléctrico (cable a tierra) y supresores de sobretensión, estando el sistema de aterrizamiento debidamente equipotencializado.

En 1822 ya existían publicaciones acerca de cómo proceder si una tormenta se aproximaba. En estos escritos se recomienda moverse al centro de la habitación y no resguardarse bajo árboles u objetos altos. Con el paso de los años y hasta la actualidad, los mitos y verdades sobre el fenómeno siguen existiendo y se mantienen como un aspecto por evaluar. Más allá de ello, se han definido ciertas recomendaciones ante la aparición del fenómeno. Permanecer en el interior de una casa bien cerrada, evitar hablar por teléfono, no tocar objetos metálicos o artefactos que se encuentren energizados y no meterse al agua son algunas de las medidas que se deben tener en cuenta para prevenir ser alcanzado por un rayo en medio de una tormenta eléctrica o, lo más común, que son las inducciones.

Cuando se produce una tormenta eléctrica, las personas deben evitar salir de sus hogares; en caso de permanecer en el interior de una casa, hay que mantenerse lejos de las ventanas y puertas abiertas, chimeneas, estufas, equipos de lavado y tuberías. En lugares abiertos, como campos de golf, haciendas, lagos, playas y albercas, la mejor recomendación es dirigirse hacia lugares cerrados o el interior de edificaciones que estén adecuadamente protegidas.

Frente al fenómeno del rayo, el camino no es combatirlo, sino protegerse. Para lograrlo, uno de los aspectos principales está en las acciones individuales y en la difusión de medidas de protección y conductas por seguir ante la posible presencia de este fenómeno natural.

Sistemas de protección y tecnologías desarrolladas

Desde que Franklin habló del lightning conductor para referirse al pararrayos (posteriormente llamado por los anglosajones lightning rod), no ha habido muchos cambios en el campo de la protección, siendo el aseguramiento de un buen sistema de puesta a tierra y un adecuado camino de bajada temas hasta ahora respetados. Desde el punto de vista teórico, se manejaron dos problemas básicos:

• La posibilidad de que el pararrayos fuera capaz de descargar por sí solo una nube de tormenta (tema que se demostró sin fundamento y rápidamente se abandonó)
• La existencia de una determinada zona de protección (este tema sigue investigándose y aún se discute en el mercado de las protecciones contra tormentas si una sola terminal aérea o pararrayos puede cubrir una zona o debe ser un arreglo de terminales)

Desde Franklin, muchos otros investigadores se enfocaron en los temas de zona de protección y distancia de seguridad desde el punto de vista geométrico. La idea era encontrar una distancia crítica a partir de la cual el pararrayos sea impactado, mientras que otro objeto a una distancia mayor no lo sea. A la distancia entre el líder descendente del rayo y la terminal aérea se le nombró striking distance.

Los rayos que se producen con mayor frecuencia son los de tipo descendente negativo. Se trata de rayos que en el camino con cargas negativas avanza hacia tierra desde la nube. El líder escalonado avanza, por sucesivos impulsos, con velocidades aproximadas de 300 km/h en tramos de alrededor de 10 m, hasta que al aproximarse a elementos situados en la superficie terrestre, como árboles, edificios, etcétera, la intensidad del campo es tan fuerte que sobrepasa la rigidez del aire, y la acumulación de cargas positivas acumuladas en los objetos son las primeras en conectar con el líder, cerrando el circuito nube-tierra.

Una vez que los modelos desarrollados lograron fundamentarse de mejor manera, tanto teóricamente como a partir de la experiencia de los profesionales, comenzó la etapa de normalización, la cual se encabezó por países pioneros, aunque actualmente hay normas de referencias de productos que priorizan modelos y conocimientos empíricos que son muy particulares de las condiciones meteorológicas de cada país.

Desde 1904 está la norma 78 (posterior 780) Standard for the Installation of Lightning Protection Systems, de la National Fire Protection Association (NFPA), que toma como base el modelo electrogeométrico y, para su aplicación, utiliza el método de la “esfera rodante”; adicionalmente, soporta el método conocido como método del ángulo, también considerado por otras normas, como la IEC 61024 parte 1-2. La actual IEC 62305 1-2-3-4 también lo considera, tomando radios de entre 20 y 60 m, dependiendo del grado de protección que requiera la estructura por proteger.

Es importante hacer referencia a la normalización existente sobre la llamada nueva generación de pararrayos, denominados early streamer emission (ESE), o pararrayos activos. La referencia más frecuente es la norma francesa NFC17-102 y la española UNE 21186, que se basa directamente en la norma francesa. Estas normas aún están siendo discutidas en diversos ámbitos, ya que no hay acuerdos internacionales sobre la validez de los principios y modelos en los cuales se basan. El 3 de diciembre de 2015, se elaboró un memorándum por parte de la NFPA, confirmado a través de su secretario Técnico, Jenny Depew, (NFPA 780 Proposed Tentative Interim Amendment (TIA) No.1209), con el fin de ratificar el rechazo a estas tecnologías, como lo marca la sección 1.1.3 de la NFPA 780-2014. También, cabe mencionar que en la norma NRF-048-PEMEX-2014, sección 8.11.2, se hace referencia al uso del concepto de zona de protección, según lo define la norma NFPA-780, o equivalente, y al uso de sistemas tradicionales.

El método de la esfera rodante tiene particular importancia por ser un método gráfico basado en que ninguna descarga podrá impactar un objeto, partiendo de hacer rodar una esfera sobre la estructura por proteger, pues se consideran protegidos aquellos puntos que se encuentran en la zona definida por la superficie de la esfera y la superficie exterior de dicha estructura. Esa zona se denomina zona protegida. Para la modelación de la protección mediante este método, hay que comenzar por un conjunto de tablas para definir el radio de la esfera y la eficiencia del sistema.

Errores en la protección

Existen errores frecuentes en las instalaciones de pararrayos, unos de origen técnico y otros de mantenimiento. Ambos pueden derivar en que una instalación no esté adecuadamente protegida. Entre los errores más comunes podemos citar:

• Diseños en los que no se considera el concepto de zona protegida, atribuyéndose a una sola punta el poder de protección de toda una estructura, sin evaluar mediante el método de la esfera rodante
• Uso de sistemas de puesta a tierra (SPT) equipotenciales (todos interconectados) que no provoquen diferencias de potencial y puedan provocar saltos o chispas entre superficies o elementos metálicos
• Bajadas de pararrayos en cables forrados con aislamientos a 600 V o entubados en PVC, con el fin de atenuar los riesgos a seres humanos. Éste es uno de los errores más frecuentes para eliminar la tensión de contacto, cuando la solución correcta es el uso de conductores HVI, cuyo aislamiento está diseñado para tal fin
• Zonas de puesta tierra con tránsito de personal. En estos casos, debe aplicarse el relleno material como piedra que eleve la resistividad del terreno, reduciendo los peligros por tensión de paso
• Colocar conexiones del bajante de pararrayo y realizar derivaciones para aterrizar equipos sensibles
• No respetar distancias de seguridad entre bajante de pararrayos y cualquier material metálico cuando se están realizando sistemas no aislados
• No realizar revisiones periódicas de la instalación; esto incluye medición y revisión de sistemas de puesta a tierra (SPT) inferiores a 10 ?, revisión y ajuste en caso de requerirse la instalación del SEPTE, verificando que todos los elementos del sistema estén presentes y el conjunto punta-captadora-conductor de bajada-sistema de puesta a tierra este completo
• Pretender que aunque se tenga una adecuada protección externa (SEPTE) y un valor adecuado de SPT la protección es integral. Debe mencionarse que el uso de supresores, tanto en la red de energía como de comunicaciones (voz y datos), deben estar protegidos ante sobretensiones que incluso no siempre son causadas por descargas atmosféricas

Medidas de seguridad y aplicaciones contra rayos

Cuando se habla de medidas de seguridad para protegerse de una descarga atmosférica, se debe evaluar el cumplimiento de las normas de seguridad en el tema de protección para personas e instalaciones. En lo que respecta a las medidas de seguridad por considerar para la adecuada solución o propuesta técnica de protección en edificaciones, cuatro puntos deben tomarse en cuenta:

1. Análisis de riesgo
2. Proyección del sistema externo de protección (pararrayos), basado en el método de la esfera rodante y en el uso de terminales aéreas regidas por normas nacionales e internacionales. Éstas pueden ser la NMX-J-549-ANCE-2005, Sistema de protección contra tormentas eléctricas: especificaciones, materiales y métodos de medición, la IEC 62305, partes 1-4, Protection against lightning o el NFPA 780 Standard for the Installation of Lightning Protection Systems
3. Sistema de puesta a tierra basado en criterios de equipotencialidad de todos los sistemas, potencia, pararrayos, telecomunicaciones y puesta a tierra de masas y envolventes (ver NMX-J-549-ANCE-2005, ¿Estamos preparados para vivir con rayos?, y El quid de la seguridad. Los sistemas de puesta a tierra)
4. Para poder brindar una cobertura integral será requerido el uso de supresores de sobretensión con coordinación energética, tanto para las señales de energía como para la transmisión de voz, datos y automatización

Entonces, ante la pregunta ¿cómo combatir el fenómeno del rayo?, cabe mejor preguntarse cómo protegerse de forma segura. La respuesta es sencilla: disciplina, tanto en el aspecto personal como en el profesional. En el primer caso, se debe comenzar por respetar las medidas que dicta la lógica del ser humano y, en el segundo, apegarse al cumplimiento del marco normativo nacional e internacional y recurrir a la aplicación de soluciones con el fundamento técnico que las respalde.

La efectividad de una protección no puede evaluarse con base en criterios empíricos; ése fue el inicio de la teoría de Franklin, que hoy sigue estando vigente, pero soportada científicamente por las investigaciones desarrolladas en el transcurso de los siglos y adoptadas por las normas y estándares.

Lee el artículo completo en la revista Constructor Eléctrico de julio 2016

José Ordóñez López
Ingeniero Eléctrico por el ISPJAE, La Habana, Cuba. Cuenta con un master en Ingeniería Eléctrica, también por el ISPJAE. Ha sido catedrático de la Universidad Panamericana, del ITESM, Campus Ciudad de México, y de la Universidad La Salle, Campus Ciudad de México. Laboró en la Gerencia de Manufactura y Procesos Tecnológicos para Fábrica de Transformadores Electrotécnica entre 2005 y 2007 y en la Gerencia de Ingeniería de la Empresa Abastecedora de Material Eléctrico, de 2007 a 2010. Se desempeñó en la Gerencia de Ingeniería de Grupo Enertec, S.A. de C.V., de 2010 a 2013. Desde 2013 es director Técnico para DEHN Protection México.