Pararrayos

Un pararrayos.

Un pararrayos es un instrumento cuyo objetivo es atraer un rayo ionizando el aire para llamar y conducir la descarga hacia tierra, de tal modo que no cause daños a construcciones o personas. Este artilugio fue inventado en 1753 por Benjamín Franklin. Este primer pararrayos se conoce como "pararrayos Franklin", en homenaje a su inventor.

Historia de la protección contra los rayos

Iglesia con pararrayos.

En 1747 Franklin inició sus experimentos sobre la electricidad. Adelantó una posible teoría de la botella de Leyden, defendió la hipótesis de que las tormentas son un fenómeno eléctrico y propuso un método efectivo para demostrarlo. Su teoría se publicó en Londres y se ensayó en Inglaterra y Francia antes incluso de que él mismo ejecutara su famoso experimento con una cometa en 1752. Inventó el pararrayos y presentó la llamada teoría del fluido único para explicar los dos tipos de electricidad atmosférica, la positiva y negativa.

Desde gran avance de Franklin en el siglo XVIII se puede considerar el invento de los sistemas de protección no captadores como el siguiente paso adelante en el campo de la protección contra los rayos.

Estructura y funcionamiento

Los pararrayos consisten en un mástil metálico (acero inoxidable, aluminio, cobre o acero), con un cabezal captador. El cabezal puede tener muchas formas en función de su principio de funcionamiento: puede ser en punta, multipuntas, semiesférico o esférico y debe sobresalir por encima de las partes más altas del edificio al que protegen. El cabezal está unido a tierra, mediante un cable de cobre conductor. La toma de tierra se hace mediante picas hincadas en el terreno, mediante placas conductoras también enterradas, o bien con un tubo sumergido en el agua de un pozo). En principio, un pararrayos protege una zona teórica de forma cónica con el vértice en el cabezal; el radio de la zona de protección depende del ángulo de apertura de cono y a su vez éste depende de cada tipo de protección.

El objetivo principal de estos sistemas es reducir los daños que puede provocar la caída de un rayo sobre otros elementos, como edificios, árboles o personas incluyendo el propio edificio que se protege.

Para entender como funciona un pararrayos, se resume cómo se presenta el campo eléctrico de alta tensión, llamado también sombra eléctrica.

El rayo

Es la reacción eléctrica causada por la saturación de cargas electrostáticas que se generan y acumulan progresivamente en las nubes durante la activación del fenómeno eléctrico de una tormenta. Cuando la diferencia de potencial entre la nube y la tierra aumenta a valores suficientes (del orden de 10 ... 45 kV) la energía electrostática acumulada en la nube es capaz de atravesar la poco conductora hidrósfera, y se convierte en una descarga de energía electromagnética (el relámpago visible y la interferencia de ruido), energía acústica (trueno) y, finalmente, calor, fenómeno que se produce en unas fracciones de segundo.

El fenómeno rayo se representa aleatoriamente entre nube-nube, nube-tierra o tierra-nube a partir de un potencial eléctrico (10/45 kV), entre dos puntos o zonas de influencia de diferente polaridad y distinto potencial, para compensar las cargas.

Lógicamente la descarga busca el camino más corto (de menor resistencia eléctrica) entre nube y tierra y de ahí que generalmente los rayos caigan sobre los puntos sobresalientes de la tierra (cerros, árboles, torres,...).

La densidad de carga del rayo

Es proporcional al tiempo de exposición de la saturación de carga electrostática de la zona expuesta por la nube (sombra eléctrica). A mayor densidad de carga de la nube, mayor inducción electrostática en tierra, y mayor probabilidad de generar un líder en las estructuras. La diferencia de potencial entre la nube y la tierra facilita una transferencia de cargas en las zonas afectadas en tierra, y en función de la resistencia del aire o materiales expuestos, se representa en tierra en una sombra cargada eléctricamente.

La sombra eléctrica

Viaja según la trayectoria de la nube, es la zona donde los impactos de rayo se pueden representar. Su frente de actuación se sitúa normalmente, por delante de la nube y en sus frentes laterales, donde predomina un fuerte intercambio de partículas cargadas desde la base de la nube al suelo y viceversa, causado por las corrientes de convección. Dentro de la influencia de la sombra eléctrica y por donde ésta viaja, se genera el efecto punta.

El efecto punta

Puede ser estático en un punto, en movimiento en el mismo punto o viajar por el suelo y estructuras en función de la dirección y velocidad de la nube, el efecto del movimiento, causa la sensación de ver una corona o múltiples efectos puntas llamado entonces “efecto corona” , son diminutas chispas eléctricas que aparecen en la parte superior de los materiales, generalmente es de color verde-azul y con fuerte olor a ozono (ionización del aire), el efecto punta aparece siempre dentro de la sombra eléctrica.

Los marineros llaman también al efecto punta fuego de San Telmo. El motivo es que el efecto punta se representaba durante la tormenta en lo más alto del mástil de madera, el movimiento constante de la nave a causa del temporal generaba un movimiento aleatorio del mástil referente al aire dentro de un campo eléctrico natural de alta tensión.

Este efecto de movimiento lateral y el desplazamiento del mástil, transformaba visualmente las chispas del efecto punta en un efecto óptico de fuego formando una corona. Cuando se ve este fenómeno (el campo eléctrico-atmosférico de alta tensión supera los 1500 voltios), se puede apreciar y sentir peligrosamente en nuestro cuerpo el campo de alta tensión. El efecto que produce en nuestro cuerpo es un cosquilleo, que nos puede poner, literalmente, los pelos de punta.

El efecto punta puede aparecer pero no transformarse en una descarga de rayo, este fenómeno avisa de la presencia de un campo eléctrico de alta tensión y si persiste en tiempo e intensidad, creará entonces un canal trazador.

El canal trazador

Es la formación de una guía escalonada descendente (en inglés Step Leader) que guiará la descarga del rayo desde la nube cerca de la zona en tierra, donde por inducción del campo eléctrico de alta tensión, se creará otro canal trazador ascendente desde tierra para buscar la interconexión de ambos y crear un trazado por donde se compensaran las cargas.

El rayo tiende a seguir el camino preparado previamente, donde la concentración de transferencia de electrones superará los 10.000 Culombios por segundos en un punto concreto, para compensar las cargas electrostáticas de signos opuestos.

Cómo se desarrolla el canal trazador o guía escalonada: A partir del campo de alta tensión presente, un electrón ioniza un átomo produciendo un segundo electrón y éste a su vez junto con el electrón original puede ionizar otros átomos produciendo así una avalancha que aumenta exponencialmente en función de la carga (guía escalonada ,

Las colisiones no resultantes en un nuevo electrón provocan una excitación que deriva en el fenómeno luminoso. A partir de ese momento, el aire cambia de características gaseosas al límite de su ruptura dieléctrica (Trazador o canal ionizado,

El fenómeno del canal trazador, no es constante ni estable, puede viajar y moverse en función del desplazamiento de la sombra eléctrica, afectando a todo aquello que se encuentre a su paso. Nosotros nos podemos cruzar temporalmente en nuestro desplazamiento con este fenómeno, sea a pie , en coche o en barco.

La intensidad de la descarga del rayo

Es variable y dependerá del momento crítico de la ruptura dieléctrica del aire (resistencia variable) entre los dos puntos de transferencia de la carga así como la facilidad de transporte de la energía del medio (conductancia variable) y de la capacidad de absorción o disipación de la zona de impacto en tierra (resistencia Variable). Como media, se utiliza erróneamente el valor de 30.000 Amperios de intensidad del rayo, pero podemos afirmar que los valores actuales de media son más altos llegando a superar los 50.000 Amperios y rayos superiores a 200.000 Amperios.

El aire no es un aislante perfecto su resistencia dieléctrica antes de la ruptura es de 3kV /mm y varia proporcionalmente con la altura. La ruptura dieléctrica del aire, también variará según el grado de contaminación atmosférica, temperatura, humedad, presión y radiación electromagnética natural o no.

La tensión eléctrica

Aparece durante el proceso de la descarga del rayo y su valor es proporcional a la resistencia de los conductores que transportan la corriente de la descarga del rayo, es decir: en función de la resistencia de los conductores eléctricos, estos se encargaran de llevar la corriente a tierra en más o menos tiempo, la corriente tendrá un freno o una aceleración a su paso a tierra (resistencia) y por ello aparecerá una tensión (Voltios) temporal como por ejemplo: La tierra, roca, madera, hierro, árbol, barco, depósito de gas, instalaciones de pararrayos, las puestas a tierra, las personas etc. Para conocer el valor de la tensión que se puede generar en una instalación, basta con aplicar la ley de Ohm a un impacto de rayo. Por ejemplo, supongamos que el impacto de rayo se genera en el pararrayos y el INM nos proporciona su identidad, es decir, un rayo con un valor de intensidad de descarga de 200.000 amperios tomaremos este valor como valor (I), y como referencia de la resistencia tomaremos la toma de tierra del pararrayos es decir 5 ohmios (R), la tensión que apareció en el cable de tierra del pararrayos fue de: E = I x R (1.000.000 de voltios).

El rayo puede transportar una carga de electrones en menos de un segundo equivalente a 100 millones de bombillas ordinarias, la media que se valora por rayo es de 20GW de potencia.

El sentido de la descarga del rayo

Es, generalmente, un 80 por ciento de la nube a la tierra (rayos negativos); el 10 por ciento son descargas ascendentes de tierra a nube (rayos positivos), y el resto se presentan entre nube y nube o dentro de la misma nube. Las descargas de los rayos positivos suelen ser de mayor intensidad y más destructivos que los negativos.

No se puede garantizar la zona de impacto del rayo, una vez formado. La trayectoria del rayo puede ser caótica, siempre predominarán los ambientes eléctricos cargados, aunque los estudios del campo eléctrico atmosférico en tierra determinan que la distribución de cargas en tierra no es estática, sino dinámica, al formarse y generar aleatoriamente chispas en diferentes puntos geográficos dentro de la trayectoria de la sombra eléctrica, la intensidad y situación del campo eléctrico cambia radicalmente pudiendo generar impactos de rayos laterales, con trayectorias laterales de más de 17 km entre los dos puntos de contacto.

Una vez formado el rayo, su impacto no depende de la resistencia eléctrica del terreno. Los estudios de la densidad de impactos de rayos según la tipología de terreno (figura 4.1) determina el hecho de que el rayo puede incidir en cualquier lugar del suelo, independientemente de su resistencia dieléctrica.

Un estudio determina que las zonas de impactos de rayos son aleatorias; aparecen registros de impacto en las piedras, en tierra seca o húmeda, en las cumbres de las montañas, en las laderas y valles, en el suelo cerca de una torre de alta tensión. Las descargas de rayo de este estudio varían de intensidad, entre 9.000 a 171.000 Amperios y la intensidad de descarga del rayo no esta relacionada con la resistencia eléctrica del terreno en el punto de impacto ni su altura.

En la zona de estudio podemos encontrar terrenos de diferente compuesto mineral, la resistencia dieléctrica del terreno en un mismo punto, varia enormemente según la estación del año, pasando de valores de 10 Ohmios a valores de 100 Ohmios en invierno a causa del hielo y en pleno verano a causa de la evaporación del agua.

Ejemplo de diferentes valores de la resistencia de tierra en función del terreno

Valores medios en Ω:

Terrenos cultivables y fértiles, terraplenes compactos y húmedos 50 Terrenos cultivables poco fértiles, terraplenes compactos y secos 500 Suelos pedregosos desnudos, arenas secas permeables 3.000

Valores de referencia en Ω de diferentes terrenos

Limo 20 a 100 Humus 10 a 150 Turba húmeda. 5 a 100 Arcilla plástica 50 Margas y arcilla compacta 100 a 200 Margas del jurasico 30 a 40 Arena arcillosa 50 a 500 Arena cilicea 200 a 300 Caliza compacta 1.000 a 5.000 Suelo pedregoso desnudo 1.500 a 3.000 Pizarra 50 a 300 Granito, gres y alterados 100 a 600

El nivel de riesgo de rayos

Se llama nivel keráunico, y se valora por el número de días de tormentas con la actividad de al menos un rayo (tormenta / año / km2); estos niveles de riesgo sólo son de referencia, pues suelen ser muy variables, algunos niveles se mantienen durante más tiempo por las características del contexto ambiental y telúrico, la media tiene que ser valorada como mínimo cada 5 años, en griego “Keraunos” significa rayo, por ese motivo utilizamos la palabra Keráunico.

Las líneas isokeráunicas

Son indicadores de medición de una área concreta que determina diferentes zonas de un mapa keráunico.

Densidad de rayos

No se tiene que confundir el nivel de riesgo de rayos reflejado en un mapa keráunico (días de tormenta + 1 rayo), con una zona de riesgos de rayos (densidad de rayos), el nivel keráunico no determina si una zona geográfica tiene más o menos actividad de impactos en el suelo, para conocer el nivel de riesgo de una zona, se tiene que efectuar un estudio particular del comportamiento del rayo, analizando los datos de al menos 5 años.

Los mapas de densidades de rayos se confeccionan a partir de los valores estadísticos de impactos de rayos que proporcionan las diferentes empresas de teledetección de rayos de cada país. Los datos que éstas han suministrado son:

✗ Número de impactos de rayos en un radio de 2 km ✗ Fecha ✗ Hora (GTM) ✗ Latitud y longitud ✗ Intensidad en kA ✗ Distancia en km del impacto referente a la instalación ✗ Dirección del impacto referente al norte

Teledetección de rayos

Se puede efectuar un seguimiento de los impactos de rayos en tiempo pasado en diferentes mapas virtuales. Existen varios portales donde podemos ver la actividad de rayos a nivel nacional y europeo, por ejemplo en:

Francia: Météorage, del grupo Météo France Catalunya: Meteocat España: Instituto Nacional de Meteorología

La teoría de la generación de cargas en la nube

La influencia eléctrica presente en la tierra procede de la distribución de cargas del campo eléctrico natural entre ionosfera y tierra en tiempo estable sin tormentas; durante las tormentas, las tensiones eléctricas resultantes son causadas por la concentración y generación de cargas del fenómeno termodinámico que se produce en el interior del cúmulo-nimbus. Durante su evolución, la constante de generación de cargas es aproximadamente de 1 culombio por km³ por minuto; el proceso de generación y su situación en el espacio tiempo transforman físicamente en tres estados el vapor de agua existente en el aire en su ascensión, pasando de gaseoso (vapor de agua) a líquido (microgotas de agua), sólido (cristales de hielo) y viceversa en su descenso, que es causado por el aumento de volumen y peso, por la acumulación de los cristales de hielo en la gotita de agua.

Los diferentes valores de las isotermas

La depresión constante del sistema Tierra-atmósfera-ionosfera, la altura determinada de la nube referente a la atmósfera y las incidencias variables de las ondas solares, aportan la energía necesaria para efectuar esta transformación física del vapor de agua y arrancar el sistema termodinámico para cargar el condensador eléctrico en forma de nube (+/- 90 W/Kg. de vapor).

Las isotermas

Diferencian con exactitud la base de la nube , ésta mantiene la nube a una altura determinada referente al suelo dependiendo de la depresión atmosférica del lugar. El viento con sus diferentes influencias térmicas, eléctricas y de humedad, desplazará en medida todo el sistema .

La generación y separación constante de cargas

Dentro de la nube, polarizará la nube induciendo a su alrededor y en tierra un campo eléctrico opuesto, los valores eléctricos resultantes creados por la diferencia de potencial entre la ionosfera y la tierra arrancan en 120V/m a nivel de mar en tiempo estable, aumentando progresivamente, hasta valores críticos de 45.000 Voltios/m durante la aparición y formación del típico cúmulo-nimbus (entre base de nube y tierra). Durante el proceso activo critico de la tormenta, estos valores modifican las propiedades del aire colindante que se comporta normalmente como un dieléctrico.

Las líneas de campo eléctrico

Tienen un sentido, de polo positivo a polo negativo, si estas líneas de campo se transfieren paralelamente y su separación entre ellas son equidistantes , el campo resultante es homogéneo, de lo contrario si se saturan en un punto concreto se generará un efecto punta a causa de la transferencia concentrada de electrones que excitará el dieléctrico ( aire ) ionizándolo hasta la ruptura de su resistencia donde aparecerá el arco eléctrico llamado el Rayo; en ese momento el potencial eléctrico ambiental, será compensado a causa de la descarga eléctrica, hasta su próxima generación .

Repercusiones eléctricas

Durante la descarga del rayo se generan inducciones y acoplamientos en las líneas de transporte eléctrico y de tele-comunicaciones. Como referencia, en cada impacto de rayo en un pararrayos tipo FRANKLIN, antes, durante y después de su descarga a tierra, se generan otros fenómenos eléctricos indirectos que repercuten destruyendo nuestras instalaciones y a las instalaciones de nuestros vecinos en un radio de acción proporcional a la intensidad de la descarga, que puede alcanzar los 1.500 metros. El rayo, aparece repetidamente, durante las tormentas de cada año. Los efectos del impacto de rayo durante su descarga pueden ser directos o indirectos a causa de:

Cargas electrostáticas durante la formación del líder

En el momento de la presencia de la sombra eléctrica en tierra, el campo eléctrico presente es de alta tensión, y genera el efecto punta en la parte más alta de la instalación. Este efecto se transforma visualmente en chispas que salen de los materiales expuestos a la sombra eléctrica. En el caso de una punta de pararrayos, las cargas electrostáticas generan interferencias y ruidos que se pueden acoplar en las líneas de datos o señales de TV y radio. Durante la aparición de este fenómeno, por el cable de tierra del pararrayos circularán corrientes superiores a los 150 amperios. Esto se debe a que las chispas del efecto punta aparecen a partir de la ionización del aire, y para ionizar el aire se necesitan, como mínimo, 1.500 voltios en la punta de un electrodo (dependiendo de la calidad del aire), si aplicamos la ley de Ohm y tomamos los 1.500 voltios como referencia de tensión (E) y los 10 ohmios de la resistencia de la toma de tierra como referencia de resistencia (R), se tendrá una intensidad de corriente (I) que circulará por el cable de tierra de:

I = E / R (150 amperios)

Pulsos electrostáticos (ESP)

Los pulsos electrostáticos son transitorios atmosféricos y aparecen en los equipos por la variación brusca del campo electrostático presente en la zona durante la tormenta, la causa de este fenómeno la genera la diferencia de potencial entre la nube y la tierra. Sus efectos se transforman en pulsos eléctricos que aparecen a partir de impactos de rayos cercanos. Todo aquello que se encuentre suspendido en el aire referente a tierra dentro de la sombra eléctrica, se cargará con una tensión proporcional a su altura y el campo electrostático presente, como si de un condensador se tratara. Como referencia a 10 metros de altura, en las líneas de datos o telecomunicaciones aisladas de tierra, pueden padecer tensiones de 100 a 300.000 voltios con respecto a tierra dentro de un campo electrostático medio.

Pulsos electromagnéticos (EMP)

En el instante mismo del impacto de rayo en un pararrayos o en un elemento cualquiera, el contacto físico de la energía del rayo en el punto de contacto, genera una chispa que se transforma en un pulso electromagnético que viaja por el aire, en el mismo instante el flujo de la corriente que circula por los conductores eléctricos de tierra a la toma de tierra, genera un campo magnético proporcional a la intensidad de la corriente de descarga del rayo.

La energía radiada por el pulso electromagnético en el aire viaja a la velocidad de la luz induciendo por acoplamiento todo aquello que se encuentre a su paso referente a tierra, destruyendo nuestros componentes electrónicos y los de nuestro vecino en un radio de 1.500 metros y llegando la señal radiada a más de 300 km de distancia.

La intensidad del pulso electromagnético es variable en función de la intensidad de descarga del rayo y del punto de contacto físico con el elemento impactado, el tiempo de la transferencia de la corriente a tierra y el nivel de absorción de la tierra física, determinaran los valores eléctricos de acoplamiento en los equipos cercanos.

Sobretensión y tensiones de paso

El impacto de rayos directos sobre los cables aéreos, genera una onda de corriente, de amplitud fuerte, que se propaga sobre la red creando una sobretensión de alta energía. Las consecuencias: Destrucción de material, envejecimiento prematuro de los componentes electrónicos sensibles, disfunción de los equipos conectados a la red con peligro de incendio. Por ejemplo, si aplicamos la Ley de Ohm, y tomando un valor medio del impacto de un rayo a tierra de 50.000 Amperios (I) y un valor de la resistencia de la toma de tierra de 10 Ω (R), entonces se obtiene unos resultados de tensión que circulará por los cables de tierra en el momento del impacto de 500.000 Voltios ( Alta Tensión ).E = I x R La tensiones de paso generadas en ese momento por la diferencia de potencial entre electrodos o partes metálicas , dará un resultado de 7.200 Voltios a 10 metros de distancia y a 30 metros quedará un residual de 800 Voltios. Los equipos que no estén conectados a la misma toma de tierra, tendrán el riesgo de que les aparezcan arcos eléctricos que saltaran entre masas de diferente potencial durante el instante de la descarga del rayo cercano.

Corrientes de tierra

En función de la intensidad de descarga del rayo las tomas de tierra no llegan a absorber la totalidad de la energía potencial descargada en menos de 1 segundo, generando retornos eléctricos por la toma de tierra al interior de la instalación eléctrica. Este fenómeno puede generar tensiones de paso peligrosas.

Otro fenómeno que repercute a tensiones de tierra, es la diferencia de potencial entre masas o electrodos de tierra cercanos al impacto de rayo, al producirse la descarga del rayo todos los fenómenos antes descritos interactúan entre ellos y tienden a descargar a tierra, en función de la distancia entre electrodos se generará una resistencia propia del semiconductor (el compuesto químico de la tierra física), y aparecerán tensiones de paso peligrosas entre electrodos. Otro fenómeno importante que repercute directamente a la vida útil de los electrodos, es su pérdida de iones en cada proceso de transferencia. Es decir cada impacto de rayo en un pararrayos, genera una fuga brutal de corriente que pasa a tierra por medio del electrodo de tierra a la tierra física, en ese momento se crea un intercambio de iones o electrolisis natural entre el material del electrodo y la tierra física, el intercambio iónico brutal e instantáneo reacciona con el entorno, creando una cristalización del la tierra física.

Cada descarga de rayo, evapora el agua que contiene la tierra a su alrededor, modificando la resistencia propia de la toma de tierra. Con el tiempo los electrodos que se utilizan como puesta a tierra, llegan a desaparecer, ya en su primer año de vida, pierden contacto físico con la tierra y su capacidad de transferencia disminuye peligrosamente a causa de la oxidación.

Se tiene que tener en consideración que todos los materiales o puntos de contacto a tierra tiene diferente valores de comportamiento eléctrico, su propia resistencia como conductor eléctrico puede variar considerablemente en función de las condiciones que lo rodean (humedad, temperatura, contaminación química, etc.)

Mantenimiento y revisión anual de las tomas de tierra eléctricas es obligatorio para garantizar una buena disipación de las fugas de corriente.

Los efectos del campo eléctrico en nuestro cuerpo

El cuerpo humano es una máquina bioeléctrica, polarizada eléctricamente y toda la actividad electromagnética del entorno nos afecta. Cada impacto de rayo genera una radiación o pulso electromagnético peligroso para las personas.

Los campos electromagnéticos artificiales perturban el magnetismo natural terrestre y el cuerpo humano sufre cambios de sus ritmos biológicos normales pudiendo sucumbir a diferentes enfermedades. Estos fenómenos están en estudio, pues pueden afectar la membrana celular a partir de una gran exposición en corto tiempo; en función de la radiación absorbida nuestro sistema nervioso y cardiovascular pueden estar afectados.

Hoy en día está comprobado que las corrientes eléctricas de baja frecuencia con densidades superiores a 10 mA/m2 afectan al ser humano; no sólo al sistema nervioso, sino que también pueden producir extrasístoles.

Toda radiación superior a 0.4W/kg no podrá ser adsorbida correctamente por el cuerpo. El aumento repentino de 1 grado en el cuerpo puede producir efectos biológicos adversos. Éste fenómeno puede ser representado por radiaciones de gigaherzios o microondas.

Tipos de protección contra los rayos

Pararrayos

Pararrayos puntas simple Franklin

Son electrodos de acero o de materiales similares acabados en una o varias puntas, denominados punta simple Franklin; no tienen ningún dispositivo electrónico ni fuente radioactiva. Su medida varía en función del modelo de cada fabricante, algunos fabricantes colocan un sistema metálico cerca de la punta para generar un efecto de condensador. Durante el proceso de la tormenta se generan campos eléctricos de alta tensión entre nube y tierra (1). Las cargas se concentran en las puntas más predominantes a partir de una magnitud del campo eléctrico (2). Alrededor de la punta o electrodo aparece la ionización natural o efecto corona, resultado de la transferencia de energía. Este fenómeno es el principio de excitación para trazar un canal conductor que facilitará la descarga del fenómeno rayo (Leader). En función de la transferencia o intercambio de cargas, se pueden apreciar, en la punta del pararrayos, chispas diminutas en forma de luz, ruido audible a frito, radiofrecuencia, vibraciones del conductor, ozono y otros compuestos (efecto corona 3). Este fenómeno arranca una serie de avalancha electrónica por el efecto campo, un electrón ioniza un átomo produciendo un segundo electrón, éste a su vez junto con el electrón original puede ionizar otros átomos produciendo así una avalancha que aumenta exponencialmente. Las colisiones no resultantes en un nuevo electrón provocan una excitación que deriva en el fenómeno luminoso. A partir de ese momento, el aire cambia de características gaseosas al límite de su ruptura dieléctrica (Trazador o canal ionizado) (4). El rayo es el resultado de la saturación de cargas entre nube y tierra, se encarga de transferir en un instante, parte de la energía acumulada; el proceso puede repetirse varias veces.

El objetivo de estos pararrayos atrae-rayos es proteger las instalaciones del impacto directo del rayo, excitando su carga y capturando su impacto para conducir su potencial de alta tensión a la toma de tierra eléctrica.

Se conocen casos en los que parte del pararrayos ha desaparecido a causa del impacto, que superó los 200.000 amperios. Algunos estudios demuestran que estos equipos no son eficaces.

Pararrayos con dispositivo de cebado (PDC)

Analicemos algunos principios básicos. Están formados por electrodos de acero o de materiales similares acabados en una punta. Incorporan un sistema electrónico que genera un avance teórico del trazador; otros incorporan un sistema piezoeléctrico que genera un efecto similar. Los dos sistemas se caracterizan por anticiparse en el tiempo en la captura del rayo, una vez que se produce la carga del dispositivo electrónico de excitación (cebador). Las medidas de los cabezales varían en función del modelo de cada fabricante. No incorporan ninguna fuente radioactiva. Cabe destacar que en España se llaman “PDC”, en Francia “PDA” y en USA “ESE”.

El principio de funcionamiento sigue siendo el mismo que los pararrayos tipo Franklin, la diferencia tecnológica de estos equipos está en el sistema electrónico, que aprovecha la influencia eléctrica del aumento de potencial entre la nube y la tierra para autoalimentar el cebador. Son componentes electrónicos que están alojados normalmente en el interior de un envase metálico y colocado en la parte más cercana de la punta del pararrayos y sirve para excitar la avalancha de electrones (ionización). La excitación del rayo se efectúa ionizando el aire por impulsos repetitivos. Según aumente gradualmente la diferencia de potencial entre el pararrayos y la nube, aparece la ionización natural o efecto líder. Son mini descargas que salen de la punta con más intensidad para ionizar el aire más lejos; este fenómeno es el principio de excitación para trazar un camino conductor intermitente que facilitará la descarga del fenómeno rayo.

El conjunto electrónico (cebador) está dentro de la influencia directa de los efectos térmicos, electrodinámicos y electromagnéticos que genera el impacto del rayo durante la descarga. En función de la intensidad de descarga del rayo, la destrucción del dispositivo electrónico es irreversible. A partir de ese momento, la eficacia del PDC no está garantizada.

Algunos fabricantes de PDC aconsejan en sus catálogos la revisión del dispositivo electrónico de cebado cada vez que recibe un impacto o descarga del rayo en el pararrayos para garantizar la eficacia del PDC.

Normativas y ensayos de laboratorio

Algunas de las normativas de pararrayos actuales. Las normas actuales de pararrayos tipo Franklin o PDC, no ofrecen unas garantías de protección. El contenido de la norma define cómo efectuar una instalación de pararrayos y tiene como objetivo salvaguardar la vida de las personas y animales junto a sus propiedades. Remarcan que “ en mayor o menor grado, aceptan que no existe una protección absoluta contra el rayo, sino sólo una protección adecuada “ .

Resumimos algún contenido de las diferentes normativas de cada país:

• BS 6651 “ Esta guía es de naturaleza general... “ Se hace énfasis en que, aun cuando se suministre protección, el riesgo de daños a las estructuras a proteger nunca puede ser completamente efectiva.
• IEC 61024-1 Parte uno: Principios Generales “Un sistema de protección contra el rayo, diseñado e instalado conforme a esta norma, no puede garantizar una protección absoluta a estructuras, personas u objetos; sin embargo, el riesgo de daños causado por el rayo a estructuras protegidas será reducido significativamente mediante la aplicación de esta norma”.
• API 2003. Capítulo 5. Sección cinco “ Probablemente, la propiedad más importante del rayo es su complejidad, por lo que no existe una norma del rayo... No puede asegurarse, en forma absoluta, la prevención o disipación en forma segura de la corriente de rayo, aun cuando se tomen las precauciones conocidas”.
• NFC-17102 (Francia) dicen en su introducción, “Una instalación de protección contra el rayo concebida y realizada conforme a la presente norma, no puede, como todo proceso en el que intervienen elementos naturales, asegurar la protección absoluta en las estructuras, de las personas o de los objetos...”.
• UNE 21186.(España), es una traducción textual de la NFC-17102.

Algunas normativas dejan abierta la posibilidad de aplicar otros sistemas de protección, donde la necesidad de soluciones para la protección del rayo sea particularmente más exigente. Cabe recordar, que las actuales normativas están reguladas por grupos de trabajo, donde participan activamente los fabricantes de pararrayos, para adaptar las propias normas a sus exigencias de producto y poder así controlar su propio mercado. Existe una gran necesidad de revisar las normativas a nivel mundial, en ellas no se tendría que favorecer a los fabricantes, sino que se tendría que dar prioridad a la protección de las personas e instalaciones.

Paradójicamente las normativas de pararrayos incumplen de lleno con los requisitos eléctricos de los Reglamentos Electrotécnicos de Baja Tensión a nivel mundial, donde la prioridad es evitar tensiones de paso peligrosas, evitar equipos que generen perturbaciones electromagnéticas, evitar sobretensiones y proteger sobre todo a las personas de posibles descargas eléctricas.

Ensayos de pararrayos en laboratorio según la normativa

Los ensayos experimentales en un laboratorio técnico de alta tensión, sólo se tendrían que utilizar a nivel técnico comparativo como referencia para que el fabricante pudiera comprobar la efectividad técnica del cabezal aéreo (capta-rayos o pararrayos) que se lleva a ensayo.

No se podrán representar jamás,en un laboratorio técnico, todos los parámetros variables de los fenómenos naturales que están implicados estrechamente en la transferencia, excitación y descarga del rayo.

Los parámetros y procedimientos que se utilizan actualmente en un laboratorio técnico de alta tensión, son fijos dentro de un protocolo y características técnicas. La configuración del ensayo no tiene que ver en absoluto con las tan diferentes configuraciones de las instalaciones de pararrayos. En el campo de aplicación de una instalación de pararrayos, intervienen muchos fenómenos medioambientales y diferentes contextos geográficos, formas arquitectónicas, materiales que pueden interferir positiva o negativamente en la transferencia, excitación y descarga de la energía del rayo.

El ensayo experimental de un pararrayos en un laboratorio técnico de alta tensión no contempla el resto de los componentes de una instalación de un pararrayos, es decir, el mástil, los soportes, el conductor eléctrico, la toma de tierra, etc.

Las pruebas de eficacia de un sistema de protección del rayo, tienen que ser efectuadas en el campo de aplicación y comprobar que cumplan con el objetivo para lo cual todo el conjunto de la instalación de un pararrayos ha estado diseñada, efectuando un seguimiento en tiempo real del fenómeno rayo y unas revisiones periódicas de mantenimiento. En los ensayos de campo, se tienen que verificar las perturbaciones electromagnéticas que genera cada instalación para poder evaluar el riesgo que esta genera en cada impacto de rayo.

Pararrayos desionizadores de carga electroestática

El objetivo de los también llamados pararrayos PDCE es evitar la saturación de carga electrostática entre la instalación de tierra y la atmósfera que nos rodea. Concretamente, compensar pacíficamente la diferencia de potencial eléctrico de la zona durante el primer proceso de la formación del rayo.

• Se destacan por el hecho de que su forma es esférica.
• Están instalados en la parte más alta de la instalación y conectados a tierra.

Durante la aparición en tierra del proceso de la carga electrostática del fenómeno del rayo, el pararrayos facilita la transferencia de energía a tierra y se transforma en una pequeña corriente de fuga que circula por el cable de tierra a la toma de tierra. El valor eléctrico resultante se puede registrar con una pinza amperimétrica de fuga a tierra. El valor máximo de lectura en plena tormenta no supera los 300 miliamperios, y es proporcional a la carga eléctrico-atmosférica durante la tormenta. Los pararrayos se instalan según unas normativas actuales y se resumen en 4 elementos básicos:

1. La toma de tierra con una resistencia inferior a 10 ohmios.
2. El equipotencial de masas.
3. El mástil y cable conductor que conecta la tierra con el cabezal aéreo.
4. El pararrayos (electrodo aéreo captador).

Características básicas. Se caracteriza por facilitar la transferencia de la carga electrostática entre nube y tierra antes del segundo proceso de la formación del rayo, anulando el fenómeno de ionización o efecto corona en la tierra.

El cabezal del pararrayos está constituido por dos electrodos de aluminio separados por un aislante dieléctrico. Todo ello está soportado por un pequeño mástil de acero inoxidable. Su forma es esférica y el sistema está conectado en serie entre la toma de tierra eléctrica y la atmósfera que lo rodea. Durante el proceso de la tormenta se genera un campo de alta tensión en tierra que es proporcional a la carga de la nube y su distancia de separación del suelo.

A partir de una magnitud del campo eléctrico natural en tierra, la instalación equipotencial de tierras del pararrayos, facilita la transferencia de las cargas por el cable eléctrico. Estas cargas, indiferentemente de su polaridad, se concentran en el electrodo inferior del pararrayos que está conectado a la toma de tierra por el cable eléctrico y situado en lo más alto de la instalación.

La baja resistencia del electrodo inferior del pararrayos en el punto más alto de la instalación, facilita la captación de cargas opuestas en el electrodo superior. Durante este proceso de transferencia de energía se produce internamente en el pararrayos un pequeño flujo de corriente entre el ánodo y el cátodo. El efecto resultante genera una corriente de fuga, que se deriva a la puesta a tierra eléctrica de la instalación y es proporcional a la carga de la nube. Durante el proceso de máxima actividad de la tormenta se pueden registrar valores máximos de transferencia de 300 miliamperios por el cable de la instalación del pararrayos. La carga electrostática de la instalación se compensa progresivamente a tierra según aumenta la diferencia de potencial entre nube y tierra, neutralizando el efecto punta en tierra en un 100 % de los casos (trazador o líder). El cabezal captador del pararrayos no incorpora ninguna fuente radioactiva.

El efecto de disipar constantemente el campo eléctrico de alta tensión en la zona de protección, garantiza que el aire del entorno no supere la tensión de ruptura evitando posibles chispas, ruido audible a frito, radiofrecuencia, vibraciones del conductor y caídas de rayos.

El objetivo del conjunto de la instalación, se diseña como sistema de protección contra el rayo (SPCR) donde el motivo principal es evitar la formación y descarga del rayo en la zona de protección.

El inhibidor de rayos

Es un elemento de protección contra los rayos que evita la formación del canal trazador a través del cual se produce el impacto. De esta manera se impide el proceso natural de la formación del rayo en una área determinada.

La tierra y la nube se comportan como dos placas de un condensador, de manera que si la tensión entre placas aumenta suficientemente se llega al punto de ruptura y se produce el rayo. El principio físico de actuación del Inhibidor de rayos se basa en la descarga de este condensador de forma controlada y constante, a través de un flujo eléctrico del orden de miliamperios que se produce en su cabezal hacia la toma de tierra en momentos de campo eléctrico “entre placas” elevado, situación que se presenta cuando hay tormenta.

Véase también

• Electricidad
• Historia de la electricidad