Peligro latente, descargas atmosféricas

El famoso experimento de Benjamin Franklin con una cometa de seda y una punta metálica fue uno de los primeros acercamientos que revelaron la naturaleza eléctrica de los rayos. Hoy en día, las descargas atmosféricas representan una gran amenaza para los equipos eléctricos y electrónicos dentro de un inmueble, razón por la que es de vital importancia contar con un correcto sistema de protección contra rayos y sobrevoltaje

Por Manuel Merelles

Las descargas atmosféricas y sobretensiones ponen en riesgo tanto a las personas como a los activos de las empresas, y en el mundo, cada día se vuelven más comunes los golpes por rayos en la superficie. Año con año, la superficie terrestre recibe más de un mil quinientos millones de descargas atmosféricas; en Alemania, por ejemplo, se producen alrededor de dos millones de rayos anuales, número que va en aumento. Éstas ocurren en parajes rurales, así como en ciudades densamente pobladas, motivo por el que peligran edificios, equipos y sistemas tecnológicos y, más importante aún, la vida de muchas personas.

Las fuertes corrientes de aire presentes en las nubes de tormenta, que pueden representarse como un dipolo desde el punto de vista eléctrico, separan las cargas eléctricas o iones. Los iones positivos utilizan la parte superior de la nube para su acumulación, mientras los iones negativos lo hacen en la parte inferior, aunque por encima de la isoterma de cero grados. Las diferencias de potencial generadas dentro de la nube pueden llegar a superar los 100 millones de watts, por lo cual, se generan corrientes eléctricas de gran intensidad.

De manera general, el rayo es una descarga eléctrica que normalmente se produce entre nubes de lluvia o entre una de estas nubes y la tierra, debido a que la superficie de la tierra se encuentra, por inducción, cargada positivamente. Dicha descarga eléctrica es visible, con trayectorias sinuosas y con ramificaciones irregulares que se mueven aproximadamente a 2 x 105 m / s, fenómeno conocido con el nombre de relámpago. Asimismo, se produce una onda sonora conocida como trueno.

A partir de la corriente de iones positivos que se encuentran en la superficie de la tierra que buscan la guía negativa de las descargas en las nubes, una onda ionizada puede propagarse en el sentido de la tierra hacia la nube, creando el equivalente a un alambre conductor por el cual pueden llegar a circular hasta 100 mil amperes, vaciando la región de la nube afectada de carga negativa, proceso al que se le conoce como rayo de retorno.

Tipos de descarga
Comúnmente se realiza una distinción entre los cuatro tipos de descarga existentes:

• Descargas negativas de la nube a la tierra
• Descargas negativas de la tierra a la nube
• Descargas positivas de la nube a la tierra
• Descargas positivas de la tierra a la nube

90 por ciento de las descargas entre la tierra y las nubes son golpes negativos de las nubes hacia la tierra; sin embargo, gran parte de las descargas se realizan dentro de una misma nube o entre un grupo de nubes aledañas.

Como resultado de estos fenómenos naturales se presentan cientos de millones de euros de pérdidas anuales en distintas industrias, que ven afectadas sus instalaciones por descargas atmosféricas, principalmente por sobrevoltaje, debido a que muchos equipos eléctricos, algunos de los cuales son extremadamente sensibles, actualmente forman parte de la vida diaria productiva de las empresas.

Edificios industriales
Hoy en día, contar con modernos equipos de control y automatización es una práctica común, aunque también se encuentran en constante peligro al no contar con un sistema de protección contra descargas atmosféricas o sobrevoltaje. Los efectos adversos de un golpe por rayo o sobrevoltaje pueden verse reflejados en cuantiosas pérdidas económicas al darnos cuenta de los costos de reparación o renovación de equipos afectados por el fenómeno, como pueden ser mandos de control de los circuitos, equipos de computadoras y servidores en los que se pueden invertir 20 mil euros, aproximadamente, con pérdidas productivas de hasta 500 mil euros en algunos casos. Todo lo anterior se puede evitar al instalar un sistema de protección.

En el caso de los edificios residenciales, el golpe del rayo en el techo de las instalaciones que no cuentan con dicho sistema de protección puede ocasionar la pérdida de equipos eléctricos (refrigeradores, computadoras, televisores, sistemas de calefacción y de automatización), daños al techo y sistemas de control de incendios; cortocircuitos y perjuicios a los sistemas de agua de las instalaciones; además de las pérdidas no cuantificables de información, datos y archivos que pueden perderse con el equipo de informática.

Sistema integral de protección contra descargas atmosféricas y sobrevoltaje
Algunos de los estándares relacionados con las descargas atmosféricas realizan la división de los sistemas entre sistemas interiores de protección contra rayos y sistemas exteriores de protección contra rayos. Un sistema de protección integral contra descargas atmosféricas y sobrevoltaje debe contemplar ambos aspectos, tanto los equipos de protección internos como los externos, con el propósito de garantizar la seguridad de los equipos dentro de las instalaciones y el bienestar de las personas dentro de la edificación. Los sistemas exteriores contemplan equipos de intercepción, conductores de bajada, sistemas de puesta a tierra y áreas de blindaje; asimismo, los sistemas interiores contemplan áreas de blindaje, mientras que considera sistemas de unión equipotencial para protección contra descargas atmosféricas y los detalles de protección.

Los sistemas de intercepción utilizados en la protección externa de las instalaciones contempla equipos de pararrayos y conductores de bajada, sistemas de aislado y herramientas de medición y verificación de cargas. Los pararrayos reciben de manera eficaz la corriente de hasta 200 mil amperes y los conductores de bajada la dirigen a un sistema de puesta a tierra a través de una red de supresores.

Los sistemas de puesta a tierra toman en cuenta los materiales; el suelo, por ejemplo, para llevar a cabo una transferencia confiable de la corriente eléctrica del rayo; simultáneamente, considera caminos para su transferencia y materiales de conexión adecuados. Si la corriente del rayo conducida se recibe en el sistema de puesta a tierra, la mitad de la energía es transferida al suelo, mientras el otro 50 por ciento se dispersa a través del sistema de unión equipotencial.

Los equipos de unión equipotencial forman el vínculo entre los sistemas de protección internos y externos, que cumple con la función de evitar que diferenciales de potencia peligrosos ingresen a las instalaciones. Finalmente, los sistemas de protección contra sobrevoltaje contemplan componentes de protección para equipos electrónicos sensibles, tomando en cuenta suministros de poder, líneas de datos y telecomunicaciones y líneas MSR, construyendo una barricada infranqueable en varios niveles que ningún sobrevoltaje puede enfrentar.

Estándares vigentes para sistemas de protección contra descargas atmosféricas
El estándar internacional IEC/EN 62305, del capítulo uno al cuatro, conforma una de las guías con mayor aceptación a nivel mundial en cuanto a sistemas de protección contra descargas atmosféricas y sobre voltajes. El primer capítulo se enfoca en los principios generales y el segundo en la administración del riesgo; mientras el tercer y cuarto capítulo se enfocan en la protección para edificios y humanos y los sistemas eléctricos y electrónicos dentro de estructuras, respectivamente.

A continuación se presentan algunos puntos clave de cada uno de estos capítulos:

Parte 1. Principios generales
En este capítulo se tratan los parámetros de la corriente del rayo, los daños que pueden sufrir las estructuras de edificaciones y líneas de suministro por un golpe de rayo, la necesidad y los beneficios económicos de contar con una correcta protección contra descargas atmosféricas, medidas preventivas y principios de protección que permiten reducir las heridas a los usuarios de las instalaciones y reducir las fallas ocasionadas por los golpes de rayo en las líneas de suministro. Asimismo, planteo los criterios básicos de protección en niveles de riesgo LPL1 a IV y las zonas de protección contra rayos.

Parte 2. Administración del riesgo
El segundo capítulo aborda temas como el riesgo RT aceptado, métodos para estimar los requerimientos de protección necesarios y la viabilidad económica de la implantación de sistemas de protección. Por otra parte, estima los componentes de riesgo para la estructura de una edificación, tanto por un golpe directo de rayo en la estructura del edificio como por un golpe de rayo próximo a la estructura edificada. Finalmente, permite estimar daños ocasionados por una descarga en las líneas de suministro conectadas a la estructura u por una descarga próxima a las líneas de suministro del edificio.

Parte 3. Protección de las instalaciones estructurales y personas
En esta parte se abordan las clases de protección que se utilizan en los sistemas contra descargas atmosféricas, cómo realizar una correcta selección de los sistemas de protección, y estimación de la conductividad eléctrica del reforzamiento de acero en las estructuras de edificios realizadas con concreto reforzado. Se describen los sistemas de protección externos como sistemas de intercepción, de supresores, de puestas a tierra y se detallan componentes, materiales y dimensiones. Asimismo, describe los sistemas de protección internos en las edificaciones y las reglas de instalación de los sistemas.

Parte 4. Sistemas eléctricos y electrónicos dentro de las estructuras
Finalmente, la cuarta sección del estándar se enfoca en la protección de sistemas dentro de las edificaciones, define el concepto de peligro dentro de estos sistemas, aborda las medidas de puestas a tierra, blindaje, unión equipotencial y explica los distintos tipos de protección para sobrevoltaje.

Separación y aislamiento eléctrico
El riesgo de un arco eléctrico se presenta entre los sistemas de protección externos y las instalaciones al interior de las construcciones. Si la corriente eléctrica del rayo fluye a través de los supresores (alambre redondo), la inductividad y contrainductividad del supresor conlleva a que metro a metro, empezando desde la tierra, un voltaje de varios cientos de volts se conforme, como en los techos, donde este alto voltaje puede ocasionar una peligrosa ruptura entre los equipos de intercepción y las partes eléctricas.

El aislamiento eléctrico de sistemas externos para protección contra descargas eléctricas puede calcularse utilizando la siguiente ecuación, incluida en el estándar IEC 62305-3:

Donde:

ki =     Depende de la clase de sistema de protección seleccionada
km=     Depende del material de aislamiento eléctrico que se utilice (aire, madera, piedra, etcétera)
kc=     Depende de la corriente de rayo que fluye en los conductores de baja
L =     Es la longitud en metros entre los sistemas de intercepción o supresores, desde el punto en el que se calculará la distancia de separación hasta el punto más cercano de la unión equipotencial

Fuente: Presentación de Benjamin Echtermann, Sales manager South and West Europe, Latin America para OBO Bettermann