DESCARGAS ATMOSFERICAS... TEORIA Y DISEÑO DE SISTEMAS DE PUESTA A TIERRA. Roberto Ruelas

La descarga atmosférica conocida como rayo, es la igualación violenta de cargas de un campo eléctrico que se ha creado entre una nube y la tierra o, entre nubes.

Los rayos que nos interesan por su efecto, son los de nube a tierra, y en éstos se pueden encontrar 4 tipos: 2 iniciados en las nubes, y 2 iniciados en tierra, ya que pueden ser positivos o negativos. Los más comunes, siendo el 90 % de los rayos detectados, son de una nube negativa hacia tierra.

Los rayos que inician en tierra son relativamente raros y ocurren normalmente en montañas o en estructuras altas, por lo que no los tomaremos en cuenta en lo subsiguiente. En la referencia http://sky-fire.tv/index.cgi/spritegallery.html pueden verse fotografías de ellos y de los fenómenos electroatmosféricos llamados "sprites" y "elves"

Los rayos iniciados en las nubes negativas, normalmente aparecen en nubes de tormenta del tipo cumulonimbus convectivas que usualmente miden de 3 a más de 50 km de largo, y son consecuencia de un rompimiento dieléctrico atmosférico.

Este rompimiento una vez iniciado, avanza en zigzag a razón de unos 50 metros por microsegundo con descansos de 50 microsegundos.

Una vez que el rompimiento creó una columna de plasma en el aire, la descarga eléctrica surgirá inmediatamente dentro de un hemisferio de unos 50 m de radio del punto de potencial más alto. Y, cualquier objeto puede ser el foco de esta descarga hacia arriba de partículas positivas, aún desde una parte metálica debajo de una torre.

La figura muestra el rayo producido por una nube cargada negativamente contra tierra según el modelo de Hasbrouk [5.2].

Las descargas atmosféricas pueden causar grandes diferencias de potencial en sistemas eléctricos distribuidos fuera de edificios o de estructuras protegidas. A consecuencia de ello, pueden circular grandes corrientes en las canalizaciones metálicas, y entre conductores que conectan dos zonas aisladas. Pero, aún sin la descarga, una nube cargada electrostáticamente crea diferencias de potencial en la tierra directamente debajo de ella.

El campo eléctrico debajo de una nube de tormenta es generalmente considerado entre 10 y 30 kV/m. Es importante, comparar estos valores con el de 1.5 kV/m con el que las puntas empiezan a emitir iones.

Una nube de tormenta promedio podría contener unos 140 MWh de energía con voltajes hasta de 100 MV, con una carga en movimiento intranube de unos 40 Coulombs. Esta energía es la que se disipa mediante los rayos, con corrientes pico que van de unos cuantos kiloamperes a unos 200 kA con un percentil (50) de 20 kA, de acuerdo con los datos del Sr. R. B. Bent [5.7]. El Electric Power Research Institute (EPRI) en su Transmission Line Reference Book, 345 kV and above. 2da. Edición, Págs. 545-552, maneja una magnitud promedio de una descarga negativa de 31 kA, con una pendiente promedio máxima de 24.3 kV/us. Y para las descargas que siguen a la primera, una magnitud menor aunque más rápidas, con un promedio de 39.9 kV/us, y hasta 70 kV/us ha sido registrado.
Los rayos de una nube positiva hacia tierra contienen más carga que sus contrapartes negativos, por lo que son muy estudiados. En general no exhiben el mismo comportamiento de pasos de los negativos, y suceden más frecuentemente en tormentas invernales con nieve y en latitudes altas.

Algunas particularidades aumentan la probabilidad de la caída de rayos en un lugar. Por ejemplo, la frecuencia de descargas en un lugar es proporcional al cuadrado de la altura sobre el terreno circundante. Esto hace que las estructuras aisladas sean particularmente vulnerables. Además, las puntas agudas incrementan también la probabilidad de una descarga.

La protección de estructuras es más tolerante que una protección electrónica. Así, un edificio puede tolerar hasta 100,000 V mientras que componentes electrónicos a 24 V se dañarán con voltajes sostenidos de 48 volts!

Los rayos ocurren con diferentes intensidades y un sistema que proteja contra su efecto deberá ser diseñado tomando en cuenta los rayos promedio o mayores del área en cuestión. Las descargas no pueden ser detenidas, pero la energía puede ser desviada en una forma controlada. El intentar proteger contra descargas directas puede ser excesivamente caro.

Cuando la energía de un rayo viaja a través de una trayectoria de gran impedancia, el daño causado puede ser grave por el calor y las fuerzas mecánicas que se crean [5.1].

Como la tierra no tiene una resistividad uniforme en todos los puntos, dentro de un mismo predio puede existir un potencial entre dos placas de metal enterradas. Por eso, en un sistema de electrodos múltiples conectados entre sí, a manera de malla, existe la probabilidad de que exista una diferencia de potencial entre algunos de sus puntos aterrizados.

El problema de diferencia de potenciales entre electrodos se complica aún más cuando una nube cargada pasa por encima de la malla. Además, una descarga eléctrica que caiga cerca, causará grandes corrientes en la tierra para restablecer el equilibrio de cargas. Al fluir esta corriente por tierra, causará una diferencia de potencial entre los diferentes electrodos y esta diferencia de potencial, a su vez, causará que fluya corriente por los conductores de la malla.

Es conocido que un campo magnético se crea cada vez que existe un rayo, no importando si es a tierra o entre nubes. Este campo induce una corriente en cualquier conductor en la vecindad del rayo. Si existen electrodos al final de ese conductor, fluirá por tierra la corriente cerrando el circuito. Por ejemplo, un oleoducto puede transmitir la corriente de una descarga a una gran distancia del punto donde la descarga tuvo lugar.

Los rayos son señales eléctricas de alta frecuencia, gran potencial y alta corriente, por ello son causa de interferencia en sistemas electrónicos. Son de alta frecuencia por la elevada razón de cambio de la señal, de aproximadamente 1 us. Por ello, para dirigir a tierra las descargas atmosféricas se utilizan las técnicas para señales en altas frecuencias.

La inductancia de los conductores de cobre usados para tierras es de aproximadamente de 1.64 uH/m. A la frecuencia equivalente de los rayos, la impedancia debida a la inductancia es muchas veces mayor que la impedancia debida a la resistencia del conductor. Por lo que, para los rayos, los conductores más largos de 10 m tienen una impedancia en términos prácticos infinita, lo que impide que conduzcan la corriente [5.5]. Además, estas señales de alta frecuencia no seguirán nunca una vuelta muy cerrada del conductor, porque cada doblez incrementa la reactancia inductiva. De ahí, que todos los cables de conexión a tierra de pararrayos deben tener curvas generosas en lugar de esquinas cerradas. Por ello, se recomiendan curvas con radio de unos 20 cm, y conductores múltiples conectados en paralelo a tierra.

Como los rayos se reflejan como cualquier onda de alta frecuencia, es básico que la impedancia a tierra sea baja para la descarga, ya que todas las partes del sistema conectadas a tierra, elevarán y bajarán su potencial con respecto de tierra al tiempo de la descarga. Como ejemplo una malla de 30 x 30 m con 36 cuadrados, de cable de 0.5 cm de diámetro tiene una inductancia de 400* 10^-7 H, lo que dará una impedancia de 25 ohms bajo una onda triangular con tiempo de pico de 1.2 us. [5.8].

Tanto en Europa (donde caen menos rayos que en nuestros países latinoamericanos), como en Norteamérica, se ha debatido mucho sobre los métodos de protección, tanto así que en misma Europa permanecen los dos estándares de protección, el llamado Franklin/Faraday, que es el tradicional, y el de puntas de inicio (early streamers en inglés). En EUA, el estándar aprobado por la asociación contra el fuego (NFPA) es el Franklin/Faraday y, se conoce como NFPA-780. El otro, no fue aceptado como parte del estándar, ya que se considera de efectividad igual que una punta del tipo Franklin.

En México, tenemos desde el 2006 una Norma Mexicana al respecto emitida por ANCE con el número NMX-J-549-ANCE. Al no tener carácter obligatorio esta norma, las compañías que promueven las marcas de puntas de inicio Sante-Elme <http://www.franklin-france.com/ESPAGNOL/indexesp.html> y Prevectron <http://www.indelec.com/>, entre otras marcas en el mercado, están instalando sus sistemas bajo normatividad francesa, o ninguna normatividad.

Importante: De acuerdo con el artículo 55 de la Ley Federal de Metrología y Normalización, las normas NMX sí son obligatorias para el gobierno federal y sus dependencias, por lo que la NMX-J-549-ANCE de pararrayos sí les aplica.

ARTÍCULO 55.- En las controversias de carácter civil, mercantil o administrativo, cuando no se especifiquen las características de los bienes o servicios, las autoridades judiciales o administrativas competentes en sus resoluciones deberán tomar como referencia las normas oficiales mexicanas y en su defecto las normas mexicanas.

Sin perjuicio de lo dispuesto por la ley de la materia, los bienes o servicios que adquieran, arrienden o contraten las dependencias y entidades de la administración pública federal, deben cumplir con las normas oficiales mexicanas y, en su caso, con las normas mexicanas, y a falta de éstas, con las internacionales.

En Norteamérica, los equipos y estructuras son clasificadas según su necesidad de protección contra descargas atmosféricas. Referencia: ANSI/NFPA 78-1989.

PRIMERA CLASE.- Las estructuras de esta clase, requieren de poca o ninguna protección. El requisito es que verdaderamente estén conectados a tierra. Ejemplos de esta clase son:
a) Todos las estructuras metálicas excepto tanques u otras estructuras que contengan materiales inflamables.
b) Tanques de agua, silos y estructuras similares, construidas mayormente de metal.
c) Astas bandera construidas de algún material conductor.

SEGUNDA CLASE.- Esta clase consiste de edificios con cubierta conductora y estructura no conductora, tal como edificios con cubierta metálica. Este tipo requiere de conductores para conectar la cubierta a electrodos en la tierra.

TERCERA CLASE.- Esta clase consiste de edificios con estructura metálica y cubierta no conductora. Este tipo requiere de terminales aéreas conectadas a la estructura y fuera de la cubierta para actuar como terminales pararrayos.

CUARTA CLASE.- Esta clase consiste de estructuras no metálicas, que requieren una protección . Se incluyen en esta clase:
a) Edificios de madera, piedra, ladrillo u otros materiales no conductores, sin elementos de refuerzo metálicos.
b) Chimeneas. Aún con elementos de refuerzo, éstas deben tener una gran protección contra rayos, con terminales aéreas, cables de bajada y electrodos de aterrizado.

QUINTA CLASE.- Una quinta clase consiste de aquellas cosas cuya pérdida puede ser de consecuencias, y que normalmente recibe un tratamiento pararrayos completo, incluyendo terminales aéreas, cables de bajada y electrodos de aterrizado. Entre éstas están:
a) Edificios de gran valor estético, histórico o intrínsico.
b) Edificios conteniendo combustibles o materiales explosivos.
c) Estructuras conteniendo sustancias que pueden ser peligrosas si se derraman como consecuencia de una descarga.
d) Tanques o conjuntos de tanques.
e) Plantas de energía y estaciones de bombeo.
f) Líneas de transmisión.
g) Subestaciones eléctricas.

La técnica usada para analizar la acción de las descargas en objetos a tierra es el modelo electromagnético desarrollado originalmente por Golde R.H. [5.13]. Y derivado de ese modelo, desde 1970 se emplea el método de la esfera giratoria

para calcular la zona o distancia de protección de los pararrayos [5.1]. El equipo dentro de la zona de protección debe ser conectado a la misma red de tierras para que no exista una diferencia de potencial entre puntos en el sistema. Sin embargo, aparatos conectados a líneas eléctricas que salen del área de mismo potencial pueden dañarse de no tener las protecciones mencionadas en el capítulo sobre equipos electrónicos.

Benjamín Franklin fue el primero en darse cuenta que la altura era un factor importante en el diseño de protecciones contra rayos.

El rango de atracción de un pararrayos es la distancia sobre la cual un pararrayos sencillo vertical de una altura dada sobre un plano limpio, atrae una descarga atmosférica. El espacio protegido por tal dispositivo define el lugar en que la construcción no suele ser afectada por una descarga directa.

El sistema más sencillo y más antiguo de pararrayos, es el que consiste en terminales aéreas de cobre, bronce o aluminio anodizado terminadas en punta, llamadas puntas Franklin, colocadas sobre las estructuras a proteger de los rayos. Este sistema se aplica en iglesias, casas de campo, graneros y otras estructuras ordinarias.

Estas terminales deben estar por lo menos 25 cm - las más pequeñas miden 30 cm - sobre la estructura [5.1] y, cuando esta altura mínima se emplea, la distancia entre ellas debe ser como máximo de 6 m.

Para asegurarnos de una buena conexión y de una baja impedancia, por lo menos cada terminal aérea debe tener dos trayectorias a tierra, y estas trayectorias deben estar cuando más a 30 m de separadas entre sí.

De acuerdo con el estándar NFPA 780 [5.1], existen dos clases de materiales (terminales aéreas, cables, accesorios y terminales de tierra). Los materiales clase I se utilizan para la protección de estructuras que no exceden de 23 m de altura, y, los materiales clase II, las estructuras que si exceden dicha altura.

	Clase I	Clase II
Terminales Aéreas, diá (mm)	9,5 Cobre, 12,7 Aluminio	12,7 Cobre, 15,9 Aluminio
Conductor principal, peso	278 g/m Cu, 141 g/m Al	558 g/m Cu, 283 g/m Al
calibre	29 mm2 Cu, 50 mm2 Al	58 mm2 Cu, 97 mm2 Al
tamaño mínimo de alambre	17 AWG Cu, 14 AWG Al	15 AWG Cu, 13 AWG Al

Los tamaños de los conductores más usuales son: 29 ó 32 hilos calibre 17 (65,6 kcm) de cobre para conductores de uniones, 28 hilos calibre 14 o más grueso de cobre para conductores principales. Cuando se emplean conductores de aluminio, se debe tener precaución en no llegarlos hasta el suelo porque sufren corrosión.

Al respecto de la trayectoria, la NOM [1.3] dice que cualquier parte metálica no conductora de corriente a una distancia menor de 1,8 m del cable de los pararrayos debe tener puentes de unión a éste para igualar potenciales y prevenir arqueos {250-46}.

De acuerdo con la norma NFPA-780 [5.1], el sistema de electrodos para la protección contra descargas atmosféricas depende también de las condiciones del suelo. De ahí que, para estructuras ordinarias menores a 23 m de altura, en:

Para estructuras grandes, se utiliza una modificación al sistema Franklin de pararrayos, al añadir a las terminales aéreas conductores que crucen sobre la estructura a proteger como una caja de Faraday limitada sobre y a los lados de la construcción, y todo ese conjunto resultante es conectado a cables múltiples de bajada, que a su vez se conectan al sistema de tierras perimetral del edificio.

Los edificios modernos con estructura de acero y con varillas embebidas en concreto se acercan al concepto de la jaula de Faraday, y el riesgo de que un rayo que penetre en un edificio protegido de esta manera es extremadamente pequeño [5.6]. Aunque se debe notar que los rieles de los elevadores no deben ser usados como el conductor de bajada de los pararrayos, la NOM-001-SEDE-1999 permite que se unan al sistema de pararrayos [1.3] {620-37b}.

5.3.2 ZONA DE PROTECCIÓN (Método de puntas de inicio)

En Francia, coexisten dos estándares para protección contra descargas atmosféricas, la NFC 17-100 (1997), IEC 1024-1 (1990) que está basada en la caja de Faraday mencionada en el punto 5.3.2, y, la NFC 17-102 (Julio 1995) sobre puntas iniciadoras.

El estándar NFC 17-102 es aplicable para protección contra rayos, usando puntas iniciadoras en estructuras de menos de 60 m de alto y de áreas abiertas. E incluye la protección contra las consecuencias eléctricas debida al flujo de corriente del rayo a través del sistema de protección.

Las puntas iniciadoras, se dice, son las que inician la descarga hacia arriba unos cuantos microsegundos (Delta T) antes de la descarga principal. El efecto se traduce en una zona de protección de forma parabólica alrededor de la punta, de radio (Rp) en un plano horizontal.

De acuerdo con la peligrosidad de una descarga sobre la estructura a proteger, el estándar preveé tres tipos de protección.

D = 20 m para un nivel de protección I.
D = 40 m para un nivel de protección II
D = 60 m para un nivel de protección III

Donde D es el radio de la esfera rodante del modelo electrogeométrico, y h es la altura de la punta de emisión temprana relativa al plano horizontal que pasa por el elemento a proteger.

La tabla siguiente con los radios de protección, contempla 3 tipos de puntas iniciadoras (25, 40 y 60 us) y, los valores de altura (h), en metros, sobre la estructura a proteger, donde de 2 a 4 metros son fijos, los demás se calculan mediante la fórmula

metros.

Considerando que h no puede ser mayor que la D obtenida del tipo de protección.

La punta debe estar por lo menos 2 m más alta que el área que protege, incluyendo antenas, torres de enfriamiento, techos, tanques, etc.

Si la instalación comprende algunas puntas, éstas deben estar interconectadas por un conductor de área de por lo menos de 50 mm², a menos de que el cable esté ruteado sobre un obstáculo estructural o arquitectónico con una diferencia de más de 1.5 m

Cada punta debe estar conectada por lo menos con un conductor bajante. Dos o más bajantes se requieren si:

Se ha visto que las torres metálicas de comunicaciones incrementan sustancialmente la densidad de descargas en el lugar donde son instaladas. La probabilidad se incrementa aproximadamente con el cuadrado de la altura de la torre [5.11].

Variaciones considerables existen en la forma de como proteger una torre. Una manera es colocar una punta pararrayos en la cima de la torre y de ahí un conductor de cobre por toda la longitud de la torre. Sin embargo, por estar el cobre y el acero en contacto, se corroe el acero - 0.38 Volts de la celda galvánica - y, la inductancia del cable tan largo crrea una trayectoria de tan alta impedancia que no es efectivo como circuito a tierra. Por lo que se recomienda usar la estructura con una punta electrodo en su parte superior con conectores adecuados para su conexión al acero estructural.

Y, como conexión a tierra, electrodos de tierra horizontales llamados contraantenas o, el anillo de tierra utilizado por la puesta a tierra de los equipos electrónicos.

Note que cuando se usan arreglos de puntas sobre antenas de radio, el plano de tierra cambia, por lo que el patrón de emisión radial cambia también y el arreglo puede evitar la recepción en ciertas zonas.

Para disipar rápidamente la energía de los rayos que pegan en las torres, y con ello, elevar menos el potencial de tierra del sistema y para bajar el riesgo a las personas cuando esas torres están en zonas densamente pobladas, se acostumbra colocar radialmente conductores enterrados horizontalmente bajo las mismas técnicas de aterrizado equipotencial empleado en las subestaciones de potencia, los que reciben el nombre de contraantenas. Estas contraantenas pueden ser menores de 30 m si el suelo es adecuado y los electrodos son efectivos.

Si un rayo toca una torre, la torre conducirá la mayoría de la corriente a tierra. La corriente remanente será conducida por las retenidas, alambrado de las luces de alerta y por el blindaje del cable coaxial.

La NOM [1.3]{800-13} dice "cuando sea factible, se debe mantener una separación de por lo menos 180 cm entre los conductores visibles de sistemas de comunicación y los conductores de pararrayos".

Incrementando la distancia entre la torre y el edificio del transmisor y usando blindajes tipo Faraday se puede reducir el impacto de la descarga en el equipo.

La conexión a este cabezal debe ser por lo menos de área igual a la sección transversal de los cables coaxiales. Una trenza de 3 a 6 pulgadas de ancho es usualmente empleada en este uso.

y a cada 30 m hacia arriba después de esa altura. Otra conexión va en la base de la torre y la otra en el cabezal de tierras. La altura de 50 m es crítica debida al hemisferio de descarga del rayo ya mencionado. Además, es preferible colocar el cable de señal por dentro de la estructura metálica de la torre para reducir la corriente en su blindaje.

Ciertos tanques están autoprotegidos contra rayos, como se menciona en [5.4]. Por ejemplo, un tanque que es eléctricamente continuo y de por lo menos 3/16" de grueso no puede ser dañado por las descargas directas. Pero, el tanque debe estar sellado contra el escape de vapores que puedan incendiarse [5.1].

Los tanques se conectan a tierra para alejar la energía de una descarga directa así como para evitar las cargas electrostáticas. Tanques mayores de 6 metros de diámetro en concreto, asfalto o en tierra están sin duda conectados a tierra [5.9]. Tanques menores a esa medida, necesitan un medio adicional para conectarlos a tierra. Esto puede lograrse de tres maneras. La más simple es conectarlos a sistemas de tuberías que no tengan uniones aisladas. El segundo método consiste en conectar un mínimo de 2 electrodos espaciados no más de 30m entre ellos radialmente al tanque. Y, por último, el método más novedoso es el de emplear el acero de refuerzo del muro de contención de derrames. Ver en el capítulo de Materiales, los electrodos empotrados en concreto.

Los árboles que crecen aislados o que tienen una altura tal que sobrepasan cualquier estructura, son un blanco de las descargas atmosféricas. Por ello, para esos casos se recomienda protegerlos como si fuesen una estructura.

La probabilidad de que un rayo caiga en una torre de transmisión, ha sido ampliamente estudiada y, se han obtenido las siguientes ecuaciones empíricas de los resultados encontrados.

donde
H es la altura de la línea
b el ancho de la línea
Ng es la densidad de rayos

De lo anterior se desprende que una línea alta recibe mayor número de descargas que una baja.

También, se ha encontrado que las corrientes de descargas son mayores (>80 kA) en los lugares de índice isoqueráunico alto [5.10].

Los distintos componentes de una línea están definidos por sus características de voltaje-tiempo o nivel básico de impulso (BIL: iniciales en inglés). Si la descarga probable tiene un voltaje que excede éstas, un flameo (flashover) aparecerá.

El método de diseño tradicional de líneas de transmisión consideraba un flameo (flashover) por año, para lo cual se tomaba en cuenta el nivel isoqueráunico de la zona multiplicado por alguna constante (0,25 a 0,5) y, por otro lado, se tomaban en cuenta los parámetros probables de una descarga de fuentes como Golde [5.13].

La protección contra descargas atmosféricas de líneas aéreas de energía eléctrica se logra colocando un hilo puesto a tierra sobre ellas, llamado hilo de guarda y, mediante apartarrayos. El ángulo de protección obtenido al colocar un hilo de guarda es de 30 grados siempre y cuando el hilo se conecte a una tierra de baja resistencia (25 ohms o menos). Hay que notar que esta protección no protege a los equipos.

Los árboles altos y cerca de las líneas protegen las líneas de transmisión contra descargas atmosféricas. En el oeste de los EU y Canadá con derechos de vía en lugares boscosos, las líneas a veces no llevan hilo de guarda y con los árboles son protegidas.

Por último, hay que considerar que cuando existen gasoductos u oleoductos subterráneos en paralelo con líneas de transmisión, el uso de hilos de guarda reducen en gran medida los voltajes inducidos en los tubos.

Para líneas de distribución, el uso únicamente del hilo de guarda es económicamente aceptable en donde el terreno por donde pasa la línea tiene una baja resistividad. En cambio, se utilizan los apartarrayos sin hilo de guarda en terrenos donde se tiene resistencia a tierra de electrodos de más de 25 ohms.

La red eléctrica del laboratorio en media tensión está alimentada en 13,8 kV y se tienen líneas en toda una gama de estructuras, desde 13,8 kV hasta en estructuras para voltajes de subtransmisión (69 kV). Como los edificios están ubicados en una zona rural en promontorios, las líneas reciben descargas atmosféricas frecuentemente.

En una tabulación de disparos contra descargas de cada línea en los últimos 40 años, se encontró que las líneas con menos salidas por maniobras de "recierre" de los "restauradores" son aquellas que tienen el tipo de construcción de voltaje más alto que el que les corresponde. Lo que ahora se llama "Construcción Resistente a Rayos" (ver fotografías siguientes) que consiste primordialmente en niveles más altos de aislamiento y ángulos más pequeños de protección.

En paralelo con el patio del ferrocarril corre una línea de 1 km de longitud en postes de concreto de 13,8 kV, la cual alimenta subestaciones en su mayoría sobre postes en el perímetro del complejo. La configuración de los conductores es en línea recta sobre aisladores clase 15 kV colocados sobre la cruceta normal de la misma clase (configuración T). Las estructuras de la línea es lo más elevado en decenas de metros.

Al estar la línea protegida únicamente por cortacircuitos fusibles las descargas atmosféricas cercanas abrían frecuentemente el circuito durante la temporada de lluvias. Como solución, se propone protegerla mediante un hilo de guarda aterrizado únicamente en los remates colocado sobre puntas metálicas en las extremidades de los postes, sin mover ni hacia arriba, ni hacia abajo las estructuras originales.

Las subestaciones de potencia son protegidas por puntas pararrayos colocadas sobre las estructuras, y por los hilos de guarda de las líneas que rematan en la subestación. Los hilos de guarda están conectados directamente a la malla de tierra de la subestación.

En el caso de las estructuras metálicas tipo rejilla (lattice), la mismas estructuras forman una jaula de Faraday de protección.

Para el cálculo de las zonas de protección se emplea el método de la Esfera Rodante tratado en el punto 5.3.1.

Las subestaciones de distribución no son protegidas contra una descarga atmosférica directa, porque se ha comprobado que los rayos caen mayormente sobre las líneas.

Las descargas estáticas producen en los conductores una onda de sobrevoltaje viajera en los dos sentidos, en su viaje a tierra. Cuando esta onda llega a una discontinuidad en el circuito, que puede ser un ramal sin uso, la onda de voltaje se refleja y en ciertos lugares puede llegar a ser de hasta del doble de la amplitud original. Por lo anterior, los apartarrayos, que son aparatos eléctricos que dirigen a tierra los sobrevoltajes, deben colocarse uno por fase y lo más cerca posible del equipo a proteger, como transformadores, interruptores, reguladores de voltaje, etc. para ser mayor su efectividad.

Los apartarrayos están definidos por sus características de "flameo" y por su voltaje cuando entran en operación. Estas características se coordinan con las de los otros aislamientos para definir la clase de nivel básico de impulso (BIL).

La NOM-001-SEDE-2005 [1.3] {280-24} observa que el conductor de puesta a tierra directa del apartarrayos de un sistema de distribución, podrá interconectarse al neutro del secundario siempre y cuando éste último tenga una conexión a una tubería metálica subterránea de agua, o, siempre y cuando sea un sistema secundario multiaterrizado. Y, que los conductores no se lleven en cubiertas metálicas a menos de que se conecten a éstas en sus dos extremos {280-25}.

La teoría detrás de este método es que si el circuito de distribución va a arquear de un modo o de otro, un circuito con un alto nivel básico de impulso (BIL) con un lugar predefinido de bajo nivel causará que el arqueo suceda en ese punto. Esto requiere de un interruptor para abrir la falla en 60 Hz. Con la llegada de los restauradores automáticos de alta velocidad este método de protección ha llegado a ser bastante utilizado principalmente en países europeos.

Los supresores se seleccionan de acuerdo a su clase de protección. Así, en un servicio con una capacidad de corto circuito muy alta, el supresor debe tener una capacidad para conducir grandes corrientes a tierra.

En cambio, los supresores que se utilizan junto a las cargas sensibles a los sobrevoltajes, son de pequeña capacidad.

Y, dichos supresores deben ofrecer una protección coordinada para ser efectiva.

Existen máquinas como los aviones que no pueden fallar a consecuencia de una descarga atmosférica. Por esa razón, se debe probar su susceptibilidad a falla en laboratorios especiales bajo normativa especial. Ejemplo de un laboratorio: www.retlif.com

Actualmente la industria aeroespacial no tiene un estándar único para pruebas, por lo que algunos de los estándares comúnmente aplicados son:

Para cualquier análisis de ingeniería se requiere del número de descargas por unidad de tiempo y unidad de área, o la densidad de descargas (GFD por las siglas en inglés de Ground Flash Density) regional expresada normalmente como un promedio anual. Este parámetro se puede obtener localmente utilizando contadores de descargas o cualquiera de las versiones de los sistemas de localización de rayos comerciales.

Los contadores de descargas están limitados a unos kilómetros, mientras que los sistemas de localización pueden obtener datos de áreas mucho más grandes. Los sistemas utilizan un número finito de antenas remotas para detectar los campos eléctrico y magnético al tiempo de la descarga, y, de estos datos se puede determinar el lugar de la descarga.

Durante muchos años, los servicios meteorológicos del mundo han anotado los días tormenta o niveles queráunicos. Un día tormenta es un día en que un trueno es escuchado. Los datos queráunicos son compilados en cartas geográficas con líneas de igual nivel queráunicos o líneas isoqueráunicas.

Con los años, se han propuesto relaciones matemáticas entre los días tormenta al año (Td) registrados y la densidad de descargas a tierra (Ng) (descargas a tierra/unidad de área/unidad de tiempo).

Durante los sesenta se desarrolló el contador vertical aéreo de descargas atmosféricas. El CIGRE 500 Hz, el cual fue rápidamente adaptado como el estándar mundial. Otros trabajos en Sudáfrica desarrollaron el contador de descargas RSA 10, el cual rápidamente fue aceptado y renombrado CIGRE 10 kHz. En los setenta, varios sistemas para contar descargas fueron inventados utilizando mediciones eléctricas y magnéticas.

La importancia de la densidad para el diseño de protecciones contra rayos fue reconocida por la Electric Power Research Institute (EPRI) en 1982, en su Lightning Research Plan. EPRI contrató con la Universidad de Nueva York la obtención de datos de la densidad en los estados americanos contiguos a través de una red de localización de rayos (SUNY US).

En México, la CFE y el Instituto de Investigaciones Eléctricas (IIE) han mantenido los datos de índices isoqueráunicos. Pero, en Japón se ha descubierto que los valores isoqueráunicos obtenidos hace años, han perdido algo su validez con los cambios climáticos [5.10].

En los Estados Unidos, desde 1980, EPRI y el Bureau of Land Management auspiciaron estudios sobre descargas atmosféricas que dieron como resultado la National Lightning Detection Network (NLDN). Su propósito fue recolectar datos de rayos nubes-tierra por un periodo de 11 años o más, para coincidir con el ciclo de manchas solares, con la intención original de localizar incendios potenciales forestales, iniciados por rayos en zonas remotas del país.

La NLDN es un sistema probado de detección de rayos, grabando el instante de tiempo, localización, polaridad y amplitud de cada uno de ellos. Los datos históricos proveen de una referencia histórica que puede ser utilizada para confirmar la caída de un rayo y, obtener los mapas de densidad de rayos utilizados para proyectar el riesgo de los rayos. Esta información está siendo utilizada por compañías eléctricas y de telecomunicaciones para planear instalaciones de protección y, en tiempo real, para preparar cuadrillas de mantenimiento de emergencia cuando alguna tormenta importante se avecina. La cobertura actual (2005) es la de los 48 estados contiguos de los Estados Unidos y, parte de las provincias canadienses y estados mexicanos limítrofes.

En 1992 la red NLDN fue desincorporada del gobierno de los Estados Unidos y, pasó a ser operada por una división del Grupo Vaisala https://thunderstorm.vaisala.com/

SISTEMAS DE PUESTA A TIERRA

5. Puesta a Tierra de Protección Atmosférica