¿ QUE SON LAS DESCARGAS ATMOSFERICAS ?

Es bien sabido que el clima está cambiando, y el aumento de la actividad de tormentas, está relacionado con ello, haciendo que aparezcan tormentas y descargas de rayos fuera de sus temporadas habituales.

Casi todas las descargas naturales de rayos se inician en el interior de las nubes y progresan en forma de árbol de diferentes ramas a tierra. En su trayectoria transportan corrientes eléctricas que pueden llegar como término medio de 30.000 amperios a valores superiores a 300.000 amperios durante millonésimas de segundo, con potenciales que sobrepasan los 15 millones de voltios y desprendiendo una energía térmica superior a los 8.000 grados.
El rayo es la reacción eléctrica causada por la saturación de cargas electrostáticas que han sido generadas y acumuladas progresivamente en la nube durante la activación del fenómeno eléctrico de una tormenta.
Durante unas fracciones de segundo, la energía electrostática acumulada en la nube, se convierte en una descarga de energía electromagnética (el relámpago visible y la interferencia de ruido), energía acústica (trueno) y calor.
El rayo se representa aleatoriamente entre nube-nube, nube-tierra o tierra-nube a partir de un potencial eléctrico (10/45kV), entre dos puntos de diferente polaridad e igual potencial. La densidad de carga del rayo es proporcional al tiempo de exposición de la saturación de carga electroestática de la zona expuesta por la nube, y mayor densidad de carga de la nube, mayor inducción electroestática en tierra. A esta zona se le denomina sombra eléctrica. La sombra eléctrica es la zona donde los impactos de rayos se pueden representar. En ella aparece siempre el efecto punta, que puede ser estático, 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, denominado “efecto corona”, que son diminutas chispas eléctricas que aparecen en la parte superior de los materiales, que normalmente son de color verde-azul y con olor a ozono, produciendo la ionización del aire. El efecto punta puede aparecer pero no transformarse en una descarga de rayo, pero avisa de la presencia de un campo eléctrico de alta tensión y si persiste en tiempo e intensidad, creará un Líder o trazador.
           

       El líder o trazador, es la formación de una guía escalonada descendente 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 líder ascendente desde tierra para buscar la interconexión de ambos.

La intensidad de la descarga del rayo, es variable y dependerá del momento crítico de la ruptura dieléctrica del aire entre los dos puntos de transferencia de la carga así como la facilidad de transporte de la energía del medio y de la capacidad de absorción o disipación de la zona de impacto en tierra.
El aire no es un aislante perfecto, su resistencia dieléctrica antes de la ruptura es de 3kV/mm, y varía proporcionalmente con la altura, temperatura, humedad, etc… 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.
        El 80% de los rayos son descendentes, nube-tierra, (rayos negativos), el 10 % son ascendentes, tierra-nube, (rayos positivos), y el resto se forman entre las nubes. Las descargas descendentes de los rayos, suelen ser los que ocasionan mayores averías, debido a que el cortocircuito se origina en la tierra, creando unos efectos secundarios en grandes radios de acción por la propagación del pulso electromagnético.

Los rayos ascendentes generan pocos efectos electromagnéticos, porque el cortocircuito se origina en el interior de la nube, pero son mucho más devastadores ya que revientan paredes, techos y todo aquello que encuentre a su paso, sin embargo, han demostrado que los equipos electrónicos, no han sufrido daños aún estando conectados. Los rayos entre nubes generan ruidos y pequeñas averías en componentes electrónicos.

No se puede garantizar la zona de impacto del rayo una vez formado. La trayectoria de éste, 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, pudiendo generar impactos de rayos laterales, con trayectorias de más de 17 Km.

Los estudios de la densidad de impactos, determinan que los rayos pueden incidir en cualquier lugar del suelo independientemente de su resistividad, apareciendo impactos en terrenos de diferente compuesto mineral, como son 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, etc…

La resistividad del terreno en un mismo punto, varía enormemente según la estación del año, pasando de valores de 10 Ω a 100 Ω, a causa de la evaporación del agua en verano, y al hielo durante el invierno. Durante la descarga del rayo se generan inducciones y acoplamientos en las líneas de transporte eléctrico y de comunicación. Cuando un rayo impacta en un pararrayos, antes, durante y después de su descarga a tierra, se generan unos fenómenos eléctricos indirectos peligrosos, y que son los causantes de las averías en instalaciones y equipos.
      

En el primer instante, se generan cargas electrostáticas durante la formación del líder. Bajo la sombra eléctrica en tierra, el campo eléctrico presente es de alta tensión, generando el efecto punta en la parte más alta de la instalación, transformándose en el “efecto corona”. 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 circulan corrientes superiores a los 150 Amperios, debido a que las chispas del efecto punta, aparecen a partir de la ionización del aire, y para ionizar el aire, se necesita como mínimo 1.500 voltios en la punta de un electrodo. Aplicando la ley de Ohm. y tomando 1.500 voltios como referencia de tensión y 10 Ω la resistencia de la toma de tierra del pararrayos, tendremos una corriente que circulará por el cable de tierra de: I = E / R ; 1500 V/ 10 Ω = 150 A.
           En el segundo instante, se producen pulsos electrostáticos (ESP), que son transitorios atmosféricos y aparecen en los equipos por la variación brusca del campo electroestático presente en la zona. 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 esté suspendido en el aire referente a tierra dentro de la sombra eléctrica, se cargará con una tensión proporcional a su altura y el campo electroestático presente, como si de un condensador se tratara.

 Dentro de un campo electrostático medio y tomando como referencia 10 metros de altura, las líneas de datos o telecomunicaciones aisladas de tierra, pueden padecer tensiones de 100 a 300.000 voltios con respecto a ésta.                 

En el tercer instante, aparecen pulsos electromagnéticos (EMP). 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 hacia 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.
           

         En el cuarto instante, se generan sobretensiones, y tensiones de paso y de contacto. El impacto de rayos directos sobre los cables de líneas aéreas de transporte de energía eléctrica, genera una onda de corriente de amplitud fuerte, que se propaga por la red creando elevadas sobretensiones.
Los impactos indirectos de rayos, generan fuertes tensiones de paso y contacto, creando diferentes efectos que afectarán directamente al cuerpo humano y a las estructuras. Los equipos que no estén conectados a la misma toma de tierra, tendrán el riesgo de que les aparezcan arcos eléctricos que saltarán entre masas de diferente potencial durante el instante de la descarga del rayo cercano.

El reglamento sobre centrales eléctricas y centros de transformación, en el punto 65 de la ITC MIE-RAT 01, define que la tensión de contacto, es la fracción de la tensión de puesta a tierra que puede ser puenteada por una persona entre la mano y el pié (considerando un metro) o entre ambas manos, y en el punto 68, define que la tensión de paso, es la parte de la tensión a tierra que puede ser puenteada por un ser humano entre los dos pies, considerándose el paso de una longitud de un metro.



En el quinto instante, las altas corrientes producidas se tienen que conducir a 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 un segundo, generando retornos eléctricos al interior de la vivienda a través de la toma de tierra de la instalación eléctrica, pudiendo aparecer tensiones 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), apareciendo tensiones peligrosas entre electrodos. Cada descarga de rayo, evapora el agua que contiene la tierra a su alrededor, modificando la resistencia propia de la toma de tierra.

Para hacerse la idea de lo peligroso que puede llegar a ser, supongamos un impacto de un rayo de 50kA en una torre de telecomunicaciones:
 

     

  Durante la descarga del rayo, 50.000 amperios por segundo son generados, la corriente utiliza todas las estructuras metálicas como conductor para circular por ellas y poder llegar a disiparse en la toma de tierra. Durante la descarga del rayo (milisegundos) todos los elementos expuestos padecerán una circulación de electrones o ionización y un aumento de la temperatura con efectos indirectos electromagnéticos asociados. Estos efectos serán proporcionales a la intensidad del rayo y al tiempo que tarde la corriente en disiparse en tierra. A mayor valor de resistencia eléctrica en la toma de tierra, más valor de retraso en la transferencia de la carga y más efectos secundarios aparecerán, y es por este motivo, la importancia de valorar la protección y mantener un valor bajo de resistencia eléctrica en las tomas de tierra durante todo el año. 
        Al no estar calculado el cable de tierra para el valor de la corriente de paso real de un rayo, la corriente circulará por todos los conductores metálicos, sea la estructura de la propia torre o los blindajes de mallas y apantallamiento de los cables coaxiales o guías de onda puestos a tierra.          
   La tensión que aparecerá será: E = I x R, donde:
I, será el impacto simulado del en el pararrayos tradicional en punta o en la propia estructura.
R, será la resistencia eléctrica entre el punto del impacto del rayo y la toma de tierra, con un valor de 10 Ω.
El valor de tensión que aparece es de: E = 50.000 x 10 = 500.000 voltios (Muy alta tensión), y la radiación generada en el aire por el pulso electromagnético será W = (1 2) x R) = 25.000.000 kW
    Los riesgos que las personas pueden padecer directamente o indirectamente serán:
              Electrocución por choque eléctrico causado por contacto eléctrico con elementos metálicos, quemaduras por choque eléctrico directo o por arco eléctrico indirecto,
traumatismos por caídas o golpes como consecuencia del agarrotamiento muscular del choque eléctrico leve o arco eléctrico,
muerte por incendios o explosiones originados por diferentes efectos eléctricos directos o indirectos.


Los riesgos que pueden padecer las instalaciones directamente o indirectamente serán:

Destrucción parcial de equipos electrónicos por arco eléctrico entre masas metálicas, destrucción parcial o total de equipos electrónicos por alta tensión en el suministro, destrucción parcial o total de equipos electrónicos por campos magnéticos variables, destrucción parcial o total de equipos eléctricos y electrónicos por radiación de alta frecuencia.

 Dado que existe una gran variedad de tipos de instalaciones y otras estructuras cercanas a ella, su gran altura y sus diferentes emplazamientos, no se puede garantizar la trayectoria del impacto del rayo una vez formado, ni determinar la intensidad de descarga o de los daños que aparecerán, por ello es importante utilizar sistemas de protección alternativos, para evitar en lo posible el impacto directo del rayo en la estructura a proteger. La eficacia de un sistema de protección contra el rayo es aquella cuyo principio de funcionamiento sea minimizar o evitar en lo posible las descargas directas de rayos en la instalación, evitando así todo riesgo de muertes de personas, accidentes o incendio por tensiones de paso o diferencia de potencial durante el impacto del rayo.

73´s de EA1GX
Jose Luís González Páez

Ourense, España.