Impulsos de alta frecuencia sobrevoltajes y sus efectos

Las descargas atmosféricas se ubican como uno de los principales daños eléctricos en cualquier nivel de industria o residencial. La protección contra éstos resulta fundamental para proteger el patrimonio y la seguridad humana.

En el instante de máxima densidad de corriente, la temperatura en el canal del rayo puede alcanzar 30 mil °C.

Por Roberto Figueroa Cerritos.

Pedro Casarruvias, gerente de planta de una empresa maquiladora, llega a casa después de una extenuante jornada laboral. Las últimas semanas han estado saturadas de trabajo; incesantemente, la línea de producción automatizada, que recién cumple su primer año, no ha dejado de fallar, entre tarjetas electrónicas en variadores de velocidad y la constante sustitución de fuentes de alimentación, no queda tiempo para los procesos de reingeniería que le ordenaron el mes pasado. Después de una ligera cena con la familia, se deja caer cómodamente en el sofá, toma el control remoto y se dispone a ver las noticias de la noche, antes de ir a dormir, en la hermosa pantalla de 65 pulgadas que adquirió con su bono de productividad.

Previo a encender el televisor, reconoce un casi imperceptible parpadeo en la lámpara de la sala (seguramente arrancó la bomba de agua de la cisterna, piensa). Sin mayor preocupación, enciende el televisor  y el noticiero está iniciando. El cansancio y aburrimiento lentamente hacen presa del ingeniero, que está a punto de quedarse dormido.

Las noticias informan sobre la llegada de la primera tormenta tropical de la temporada, y sin mayor aviso un fuerte estruendo despierta a Pedro, quien decide ir a dormir a su recámara. Sin embargo, al estirar su mano para tomar el control remoto, su televisión repentinamente se apaga dejando una línea iluminada unos segundos, parecida a aquellas que utilizaban bulbos. Instantáneamente despierta y presiona los botones del control para encender el televisor, pensando en todo menos en una falla grave. Segundos después de varios intentos, el aparato no responde y Pedro espera que no sea un daño interno por una descarga atmosférica o un pico de voltaje.

Detrás de esta historia se esconde uno de los constantes problemas de la calidad de la energía y de la seguridad eléctrica, mejor conocidos como impulsos de alta frecuencia o transitorios.

En las áreas de investigación sobre los orígenes de los impulsos de alta frecuencia o transitorios, se tienen aceptados dos principales: los rayos o descargas atmosféricas, y las operaciones de grandes cargas en los sistemas eléctricos de potencia.

En el mundo, entidades tecnológicamente fuertes como la Unión Europea y la National Aeronautics and Space Administration (NASA), y en México, la Comisión Federal de Electricidad y el Instituto de Investigaciones Eléctricas, quienes han desarrollado herramientas que permiten conocer la densidad de descargas atmosféricas en diferentes regiones del planeta a lo largo del año, mediante un mapa isoceráunico que permite conocer la densidad de las descargas en cierta región e indican las descargas por kilómetro y por año.

Cuando las condiciones de humedad y carga estática se combinan, se forman caminos para la descarga atmosférica y para el fenómeno del rayo

Cómo se crea una descarga atmosférica
Investigaciones científicas a lo largo del mundo describen los procesos de formación de los rayos o descargas atmosféricas. Estudios con radar y aeronaves han mostrado que la formación de los campos eléctricos en la nube se producen por la existencia de cristales helados y pequeñas gotas de agua sobreenfriadas.

Los estudios de laboratorio acerca de los campos eléctricos que se crean indican la formación de partículas de cargas negativas y de cristales helados positivos.

Los pequeños cristales helados son llevados por vientos ascendentes a la región superior de la nube, la formación de partículas cae en la parte central y baja de la nube, en un proceso parecido a la polarización de objetos con cargas de electricidad estática. Este procedimiento, más parecido a tallar objetos que se cargan estáticamente, es esencial para entender cómo las regiones de la nube, donde se forman las cargas contrarias, quedan polarizadas; mientras que en la parte baja a nivel tierra, los vientos se encargan de cargar estáticamente la superficie colocando cargas que se acumulan en las esquinas, orillas y filos de objetos: árboles, construcciones y elementos de la tierra.

Cuando las condiciones de humedad y carga estática se combinan, se inicia la formación de guías ascendentes y descendentes en ambos lados: nube y terreno, que preparan un camino a la descarga atmosférica provocando lo que se conoce como rayo.

Qué pasa a detalle
Partículas negativas avanzan por paquetes en longitudes de 50 metros con una pausa de tiempo de 50µs. Por progresiva ionización, esta predescarga forma un canal conductor. Si el canal conductor, de apenas 5 cm de diámetro, se acerca al terreno, un canal de captura que se origina en el terreno cierra el circuito, iniciando la descarga. En el instante de máxima densidad de corriente, la temperatura en el canal del rayo puede ser de entre 20 y 30 mil °C. Este gradiente térmico, al alcanzar zonas frías, origina una explosión, que se percibe como el trueno. Si la temperatura se mantiene durante algún tiempo, puede ocasionar un impulso secundario de rayo.

Dentro de la clasificación mundial aceptada, se tienen descargas de diversos tipos, dentro de los cuales más del 90 por ciento de las descargas de rayos entre nubes y suelo están descritas en las siguientes negativas nube-suelo-rayos.

Los efectos de un rayo pueden desarrollarse a 2 mil metros de distancia

Partes de las descargas adicionales
•     Negativo tierra – nube rayos
•     Positivo nube – suelo rayos
•     Positivo suelo – nube rayos

Con frecuencia, las descargas ocurren entre centros de descarga opuestos dentro de la misma nube; sin embargo, el rayo también puede salir de esos límites y presentarse entre nubes distintas.

El rasgo más importante de las descargas es que contienen una gran cantidad de energía en tiempos muy pequeños, por eso su gran capacidad destructiva.

Otra característica es que la gran intensidad de corriente contenida durante la descarga atmosférica posee todos los rasgos de una corriente eléctrica, entre ellas la capacidad de producir un campo magnético, por lo que es capaz de afectar todo elemento metálico o conductor en un gran radio de acción. Los efectos de un rayo se pueden desarrollar a 2 mil metros de distancia; las leyes del electromagnetismo se cumplen, generando inducción en líneas de transmisión de distribución o de comunicaciones y cualquier elemento metálico por el que pueda circular corriente es sujeto de llevar una sobretensión al interior de las instalaciones eléctricas y de comunicaciones; además, estos pueden llegar a cualquier superficie metálica de un predio con el riesgo de que alguien reciba dicha descarga y sufra un daño posiblemente letal si accidentalmente cierra el circuito.

Por otro lado, una descarga atmosférica que impacta directamente un predio, construcción o instalaciones eléctricas utiliza las partes conductoras para llevar la energía de la descarga a circuitos, cargas y usuarios de instalaciones eléctricas.

En el comportamiento de un rayo pueden desencadenarse varias descargas por un mismo canal, cada una con menor intensidad

Las instalaciones sometidas a estos esfuerzos presentan diversidad de percances, desde el simple daño a fuentes de alimentación o equipos electrónicos –como la pantalla del ingeniero Casarruvias–, hasta incendios desastrosos en edificios sin protección.

Las descargas atmosféricas son modeladas matemáticamente, reconocidas con la forma de onda 10/350. En el comportamiento de un rayo es posible desencadenar varias descargas por un mismo canal de descarga, cada una con menor intensidad, por lo que para reproducir una descarga atmosférica se usa el modelo 10/350.

Por otro lado, la forma de onda común para los impulsos provocados por operaciones de grandes cargas en las redes eléctricas, tiene como característica principal ser de menor duración, la cual depende de la impedancia total del sistema. Este tipo de fenómeno tiene como característica una elevación muy rápida y una disminución corta, conocida comúnmente como forma de onda 8/20. Estos dos perfiles aceptados internacionalmente establecen las características de diseño de los elementos de protección para las instalaciones eléctricas y constituyen, a su vez, las características sobre las que deberán de ensayar y seleccionar los elementos de protección de las instalaciones.

Internacionalmente, existen dos grupos de normativas y recomendaciones utilizadas para la protección en esta área, las cuales rigen el diseño, selección e instalación de dispositivos de protección contra sobretensiones. Una es la normatividad europea y otra la norteamericana, las cuales son diferentes, pero conservan posibles puntos comunes.

Normativa Europea
Dispositivos de protección contra sobretensiones IEC 61643 baja tensión

• Parte 21: pararrayos conectados a las telecomunicaciones y señalización requisitos redes funcionales y métodos de ensayo
• Parte 22: pararrayos conectados a las telecomunicaciones y señalización, requisitos redes de rendimiento y pruebas de métodos de selección y los principios de aplicación
• IEC 60364 Instalaciones eléctricas en edificios
• IEC 60664 Coordinación de aislamiento de los equipos en las redes de baja tensión

Normativa Norteamericana
Sobretensiones Serie IEEE C62

• Práctica IEEE C62.41-1991 Recomendaciones para protección por sobretensiones en circuitos de alimentación de CA de bajo voltaje

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Roberto Figueroa Cerritos
Director General de IMEF, S.A. DE C.V; ingeniero certificado como CPQ, por la AEE.