Descargas eléctricas atmosféricas

Introducción Actualmente hay gran dependencia de la electrónica y de la transmisión de datos. Cualquier fallo en un equipo industrial puede conllevar graves consecuencias económicas. Los rayos son los principales causantes de las sobretensiones que afectan a los equipos. Se producen gran cantidad de rayos al día. Se debe disminuir el riesgo con las medidas adecuadas de EMC.

Las capas de la atmósfera Troposfera: Llega hasta 10km de altura. Se producen lluvias, tormentas, vientos,... Es a la que nos referiremos normalmente. Estratosfera: Llega hasta 25km de altura. Quimiosfera: Alcanza 80km de altura. Formada por ozono. Ionosfera: Formada por iones. Mesosfera: Altura máxima de 1000km. Exosfera: A partir de 1000km.

Las capas de la atmósfera

Las nubes Una nube es un conjunto de gotas de vapor de agua en suspensión. Hay 3 tipos de nubes: Estratiformes: Son nubes planas y de poco espesor. Cirriformes: Formadas por cristales de vapor de agua. Cumuliformes: Planas en la parte inferior y con cúpulas en la superior. Forman las “nubes de tormenta” (cumuloninbos).

La ionización de las nubes Las nubes no son eléctricamente neutras, en su parte inferior tienen carga negativa y en la superior positiva. Las gotas de vapor de agua al ser empujadas por una fuerte corriente ascendente de aire se cargan positivamente y el aire negativamente. Se alcanzan cargas en la nube de hasta 10000V y el aire deja pasar el exceso de carga negativa producido en la parte inferior de la nube.

La ionización de las nubes

Clasificación de los fenómenos eléctricos atmosféricos El rayo es la descarga eléctrica entre nube y tierra y el relámpago la descarga dentro de la nube. Rayo intra-nube: Se produce entre centro de cargas opuestas dentro de la misma nube. Rayo entre nubes: Se da entre centros de descarga de diferentes nubes. Rayo nube-tierra: Es el más dañino y peligroso pero en menos probable.

Parámetros característicos de las descargas atmosféricas. La d.d.p. en el rayo alcanza los 10000 V. Se produce una descarga de 200kA aunque puede variar bastante llegando a los 500kA. Se produce gran cantidad de energía. Otros parámetros de interés: Nivel ceráunico, densidad de rayos a tierra, polaridad del rayo, corriente de pico, gradiente de corriente La probabilidad de caída de un rayo aumenta con la altura, condiciones eléctricas del terreno,...

Parámetros característicos de las descargas atmosféricas. La caída de un rayo sobre una línea produce una sobretensión que se transmite por la misma. La carga del rayo se distribuye por debajo del suelo provocando una gran elevación de potencial. Un rayo que cae sobre un pararrayos aumenta el potencial de tierra a descargar su corriente. Proteger contra la caída directa de un rayo no es rentable ya que solo supone un 5% del total del los rayos.

Parámetros característicos   Parámetros característicos  

Parámetros característicos

Efectos producidos por la caída de un rayo Efectos directos: Caída directa de un rayo. Alta probabilidad de destrucción total. Efectos secundarios: La carga electrostática: Carga estática inducida en las estructuras metálicas inmersas en la tormenta. Los pulsos electromagnéticos: Campos EM formados por la descarga de corriente a través del canal de descarga del rayo.

Efectos producidos por la caída de un rayo Los pulsos electrostáticos: Se producen por la variación de campo electrostático en la tormenta. Las corrientes de tierra: Se produce por la neutralización de cargas cuando cae un rayo a tierra. El sobrevoltaje transitorio: Se produce como consecuencia de los anteriores y puede causar graves daños en los equipos.

Efectos producidos por la caída de un rayo Formas de acoplamiento de las interferencias producidas por el rayo. Acoplamiento resistivo: Elevación de potencial en tuberías, cables enterrados,... Acoplamiento inductivo: Campo EM inducido en conductores al descargarse la corriente del rayo. Acoplamiento capacitivo: Se produce en los transformadores.

Protección contra la caída de rayos Facilitar la descarga del rayo en tierra. Disminuir efectos secundarios con limitadores de sobretensión, de sobrecorriente,... Hacer una distribución por zonas. Establecer los tres niveles de protección: Protección primaria. Protección secundaria. Protección terciaria.

Distribución por zonas Definir límites entre zonas contiguas. Definir condiciones EM para cada zona. La zona 0 (exterior) se protegerá con protección primaria y las demás con protección secundaria y terciaria (limitadores sobre todo) Establecer diferentes zonas disminuyendo cada vez el riesgo de interferencias. Instalar compensadores de potencial al paso de una zona a otra.

Protección primaria Su misión es evitar daños en estructuras de edificios e instalaciones. Elementos que la componen. Pararrayos: Receptor del rayo. Línea de descarga: Línea conductora que transmite el rayo hasta tierra. Toma de tierra: Se encarga de la descarga del rayo en tierra.

Pararrayos El pararrayo es un dispositivo metálico para la captación del rayo para evitar desperfectos en los edificios o instalaciones. Se produce el efecto punta. Tipos de pararrayos: Pararrayos de puntas: A su vez se subdividen en los de tipo Franklin, radiactivos, ion-corona solar y piezoeléctricos.

Pararrayos Pararrayos de jaula de Faraday: Se recubre el edificio con una especie de malla metálica conectada a tierra. Las normas tecnológicas de la edificación dicen donde se debe instalar pararrayos: Edificios de más de 43m. Lugares con sustancias peligrosas. Lugares con índice de riesgo superior a 27.

Distribución de cargas

Zona de protección

Zona de protección

Sistemas de puesta a tierra Debe tener una resistencia menor de 10 ohmios. Consta de: Tomas de tierra: Electrodos, picas, conductores enterrados, mallas conductoras. Anillos de enlace: Conductores que unen electrodos. Punto de puesta a tierra. Líneas principales de tierra: Conductores que unen a pararrayos con la toma de tierra.

Sistemas de puesta a tierra

Protección de torres de comunicación Se puede colocar un pararrayos en la cima y tirar un cable hasta tierra, pero este cable será largo y tendrá alta inductancia. Otra forma mejor es situar en pararrayos y desviar la corriente por la estructura de la torre intentando separar de los cables de radio para evitar interferencias con los mismos.

Protección de líneas de comunicación subterráneas El efecto de protección de tierra depende de la conductividad de la tierra. La corriente de descarga puede penetrar en los conductores a través del aislante. Se produce un potencial en la línea Se recomienda el usar cables con doble apantallamiento.

Protección de líneas aéreas Las inducciones que se producen en las líneas por descargas atmosféricas también pueden provocar fallos en los equipos electrónicos. Para la protección de las líneas aéreas se utiliza un cable de guarda y un apartarrayos. Además de esta protección situar limitadores de sobretensión y sobrecorriente en los lugares convenientes para mayor seguridad.

Ejemplo de protección

Protección secundaria Se encarga de la protección a nivel de alimentación. Limita corrientes y tensiones. Se requiere reducir los efectos eléctricos y magnéticos que se producen en la descarga de un rayo a tierra. Los efectos secundarios no son tan obvios como los directos pero producen graves daños y son más abundantes.

Descargadores o limitadores Descargadores de sobrecorriente: Capaces de conducir las corrientes del rayos sin destruirse. Descargadores o limitadores de sobretensión: Se utilizan para descargar las perturbaciones introducidas por los rayos. Hay varios tipos de limitadores que se adaptan a diversas circunstancias de los equipos.

Consideraciones para evaluar un limitador Energía, temperatura, dimensiones, tiempos,... Tensiones disponibles. Coste por Joule. Fiabilidad. Que no interfiera con los equipos. Debe limitar la sobretensión a un nivel de seguridad. Bajo coste.

Evaluación de las condiciones transitorias de un limitador Definir o estimar la forma de onda del transitorio. Determinar la máxima potencia a disipar. Rapidez de respuesta del limitador. Determinar la tensión de limitación del limitador. No todos los limitadores cumplen estas condiciones ni todos los equipos necesitan que las cumplan. Buscaremos el que mejor se adapte.

Tipos de descargadores Descargador abierto. Descargador abierto de contorneo deslizante. Descargador de gas. Varistor de oxido zinc. Varistor de carburo de silicio. Diodo supresor de silicio. Diodo supresor de selenio. Diodo zener.

Protección terciaria Se disponen a nivel de tarjeta o componente. No está clara la frontera entre la protección terciaria y la protección secundaria. Es aplicable a la líneas de datos, entrada/salida, comunicaciones internas en equipos electrónicos. Conviene montarlos lo más cerca posible de la unidad a proteger.

Circuitos de protección terciaria