PROTECCIÓN EXTERNA
Protección externa contra el impacto directo del rayo de personas y estructuras
El fenómeno rayo
Formación del rayo
La formación de una tormenta se desarrolla cuando el calentamiento de la tierra origina una corriente de aire ascendente. Este aire se enfría progresivamente hasta condensarse con la consiguiente formación de pequeños cumulus. El cumulus continúa creciendo en sentido vertical y se acaba convirtiendo en una nube de tormenta o cumulunimbus.
En estas condiciones atmosféricas, se crean cargas eléctricas resultado de la colisión entre las partículas de agua, granizo y hielo. Dentro de la nube se crea una separación de cargas, colocándose las negativas en la base de la nube, mientras las positivas lo hacen en la parte superior.
El centro de las cargas negativas se mueve en general en la base de la nube debido al transporte de electrones a través de las gotas pesadas y el granizo, mientras el centro de las cargas positivas se mueve hacia la parte superior de la nube, debido a las corrientes de aire de convección, que pueden transportar fácilmente las partículas ligeras cargadas positivamente.
Este efecto produce un cambio similar, pero de polaridad opuesta en la superficie de la tierra y del mismo tamaño aproximadamente.
El potencial dentro de la nube es generalmente del orden de varios millones de voltios y el campo eléctrico puede superar 5kV/m al nivel de la tierra, de esta forma se inicia la creación de los trazadores ascendentes desde las formas irregulares de la tierra o estructuras metálicas. (Fig.2 a)
El campo eléctrico es tan alto que se crean al mismo tiempo pequeñas descargas desde la nube, llamadas líderes de paso.
A medida que estos líderes se acercan a la superficie de la tierra, se genera un flujo ascendente de carga positiva hacia el líder (Fig.2b). Cuando el líder de carga y el flujo ascendente se encuentran se cierra el circuito con una corriente de descarga entre 10kA y 200kA (Fig. 2c).
El poder descargado durante el rayo puede llegar a ser de 20 GW.
En la mayoría de los casos (80%) el sentido de la descarga es negativo, desde la nube hacia la tierra.
Pero en los casos contrarios, cuando el sentido de la descarga es positivo, la intensidad de descarga es más alta.
Estadísticas
Los cambios del tiempo debido a los fenómenos naturales y a las actividades humanas son más y más importantes, manifestándose por ejemplo en la frecuencia y la intensidad más alta de las tormentas en el mundo entero. La información estadística conocida nos indica que de un modo permanente se forman cerca de 5.000 tormentas alrededor del globo terráqueo, con el consiguiente peligro para bienes y personas, edificios, viviendas y estructuras industriales. La intensidad media de descarga de un rayo se estima alrededor de 5kA.
La densidad de los rayos puede variar en diferentes zonas del mundo y en varios periodos de tiempo del año. En la Península Ibérica, cada año caen cerca de dos millones de rayos, provocando la muerte a una decena de personas y centenares de animales. Las averías y desperfectos causados anualmente por el rayo en la industria se pueden cuantificar en muchos millones de euros. Naturalmente, la orografía de cada país determina el número y la intensidad de las tormentas que se producen, riesgo que varía dentro de un mismo país. El conocimiento de las zonas de riesgo es una información importante para determinar eficazmente el tipo de protección contra el rayo más adecuado y las características técnicas del sistema de protección.
Efectos del rayo
Los efectos de un rayo pueden ser ocasionados por un impacto directo o por causas indirectas a través del fenómeno de inducción electromagnética en cables y conductores eléctricos (Fig.1). Mientras que un impacto directo puede tener consecuencias catastróficas para personas o animales, edificios, estructuras industriales y antenas de telecomunicaciones, los daños por causas indirectas suelen ser más numerosos con cuantiosas pérdidas económicas.
Rayos que afectan directamente (b) y de forma indirecta (a) los equipos conectados a la red.