■ Generalidades
La tierra y la estratosfera, zona conductora de la
atmósfera (espesor del orden de 50 a 100 km), constituyen un condensador
esférico natural que se carga por ionización, con un campo eléctrico dirigido
hacia el suelo del orden de algunos centenares de voltios/metro.
El aire es escasamente conductor, aun así existe una
corriente de conducción permanente asociada de 1500 A para todo el globo
terrestre. El equilibrio eléctrico está asegurado en las descargas por la
lluvia y los rayos.
La formación de nubes de tormenta, masas de agua bajo
forma de aerosol se acompañan de fenómenos electroestáticos de separación de
cargas: las partículas ligeras cargadas positivamente son arrastradas por las
corrientes del aire ascendente y las partículas pesadas cargadas negativamente
caen por la acción de su peso. A veces en la base de las nubes durante fuertes
lluvias se encuentran zonas cargadas positivamente.
Globalmente a escala macroscópica y en tales
circunstancias se crea un dipolo.
Cuando el gradiente límite de resistencia a la ruptura se
alcanza, se produce una descarga en el seno de la nube, entre nubes o entre la
nube y el suelo. En este último caso se habla de rayo.
El campo eléctrico nube-suelo puede alcanzar 15 a 20
kV/metro sobre suelo plano. Pero la presencia de obstáculos deforma y aumenta
localmente este campo de un factor 10 a 100 o incluso 1000 en las formas
puntiagudas (fenómeno también llamado “efecto o poder de las puntas”). Se
alcanza el nivel de ionización del aire atmosférico en las proximidades de los
30 kV/cm, generándose descargas por efecto corona. Los objetos de gran
envergadura (torres, chimeneas, pilones) suelen ser el origen de la caída de
rayos directos.
□ Clasificación y
características de los rayos
Se distingue el rayo por el origen de la descarga (o
trazador) y por su polaridad.
Según el origen del trazador el rayo puede ser:
- Descendiente
desde las nubes hacia el suelo en el caso de terrenos planos.
- Ascendente
desde el suelo hacia la nube en el caso de terrenos montañosos
Según la polaridad se distingue el rayo:
- Negativo
cuando la parte negativa de la nube se descarga, representa el 80 % de los casos en los países templados.
- Positivo
cuando la parte positiva de la nube se descarga.
● Forma y amplitud
de la onda del rayo
El fenómeno físico del rayo corresponde a una fuente de
corriente impulsional donde la forma real es muy variable: consiste en un
frente de subida hasta la amplitud máxima de algunos microsegundos a 20 µs
seguida de una cola decreciente de algunas decenas de µs (ver fig. 1)
Figura 1: Oscilograma de una corriente tipo
rayo
La amplitud de los rayos varía según una ley de
distribución logarítmica. Se determina la probabilidad de sobrepasar una
amplitud determinada (ver figura 2). Se observa, por ejemplo, que para la curva
media (IEEE), la probabilidad de sobrepasar una amplitud de 100 kA es del 5%.
Lo que significa que el 95 % de los rayos tienen una amplitud inferior a 100
kA.
Figura 2: Probabilidad de sobrepasar las
amplitudes de los rayos positivos y negativos, según IEEE (estadística
experimental)
Igualmente la pendiente del frente escarpado de la onda
varía según la ley de distribución logarítmica normal. Se determina la
probabilidad de sobrepasar una pendiente de frente dado (ver figura 3). Se
observa, que la probabilidad de sobrepasar una pendiente de frente escarpado de
50 kA/µs de un rayo es del 20 %.
Figura 3: Probabilidad de sobrepasar las
pendientes de frente escarpado de las corrientes tipo rayo, positivas y
negativas, según IEEE (estadística experimental)
● Forma de onda
normalizada
La forma de onda de tensión de choque tipo rayo prescrita
por IEC 60060-1es una onda 1,2/50 µs (ver figura 4):
- Tiempo
de subida hasta el valor máximo 1,2 µs
- Duración
del descenso hasta la mitad del valor 50 µs
Figura 4: Forma de onda de tensión de choque
de tipo rayo normalizada
IEC 60060-1, T1=1,2 µs, T2 = 50 µs
● Nivel
Ceráunico
Se denomina mapa ceráunico a un mapa geográfico que
representa una zona o país para determinar el nivel de riesgo de rayos.
El nivel de riesgo de rayos, está representado en el mapa
ceráunico, por unas líneas de diferentes valores, (líneas isoceráunicas), estas
líneas determinan geográficamente las zonas de más o menos riesgo de actividad
de rayos (figuras 5 y 6).
Cada línea isoceráunica tiene un valor, y este valor es
el resultado de la aparición de días de tormentas por kilómetro cuadrado y por
año, donde al menos aparece un solo rayo.
En el mundo, se registran de media 63 millardos de
descargas cada año, lo que corresponde a 100 descargas por segundo.
Los valores NC más elevados en el mundo suelen alcanzar 180
en África tropical y en Indonesia.
● Densidad de
fulminación
Se define la densidad de fulminación Ng que representa el
número de caídas de rayo por km2 por año, cualquiera que sea su nivel de
intensidad.
Td: número de días por año en que se ha oído, al
menos una vez, el trueno.
Ng: número de descargas por año y km2
Figura 5: España, mapa de densidad de
descargas Ng
Figura 6: Distribución mundial de
rayos desde abril de 1995 a febrero de 2003 a partir de las observaciones realizadas por la
NASA
□ Mecanismo del
impacto del rayo
El mecanismo del impacto del rayo comienza con un
trazador de una nube que se aproxima a la tierra a pequeña velocidad. Cuando el
campo eléctrico es suficiente, una conducción brutal se establece dando lugar a
la descarga del rayo.
Un enfoque práctico experimental a permitido establecer
la relación que liga la intensidad I del rayo a la distancia entre los puntos
de cebado (posición del trazador) y de la descarga (punto de impacto con la
tierra):
d: distancia de la descarga, en m.
I : corriente del rayo, en kA.
Aplicando un modelo electrogeométrico a una barra
vertical de altura H (ver figura 7-a), se demuestra que se distinguen dos
zonas:
·
Zona 1: Esta situada
entre el suelo y la parábola p que es el lugar de los puntos equidistantes de H
y del suelo; en el instante del cebamiento todo trazador situado en esta zona
tocara el suelo por estar más cerca de este que de H.
·
Zona 2: Situada por
encima de la parábola: en el instante del cebamiento, todo trazador situado en
esta zona será captado por el punto H de la barra ya que la distancia entre H y
el trazador es inferior a la distancia del cebamiento d.
Figura 7-a: Representación de las diferentes
zonas de protección
ofrecidas por una barra vertical.
Para una corriente del rayo de intensidad I, con una
distancia de cebamiento dada, la distancia x entre el punto de impacto al suelo
y el punto de fijación al suelo de la barra (llamado radio de captura de la
barra) es:
El radio de captura x de la barra es tanto más grande
cuanto más intenso es el rayo.
Para pequeñas intensidades. El radio de captura es menor
a la altura de la barra que puede convertirse en captadora a lo largo de su
longitud, hecho que se verifica experimentalmente.
● Aplicación de
la protección por medio de un pararrayos
Los pararrayos atraen el rayo hacia ellos con el fin de
proteger los equipos. Su principio está basado en la distancia de cebamiento:
las varillas afiladas están dispuestas por encima de los equipos a proteger,
estas están unidas a tierra por el camino más directo (conductores de descenso
circundando el edificio a proteger e interconectándolas a la red de tierra).
El modelo electrogeométrico permite determinar la zona a
proteger por el método de la esfera ficticia.
El punto de impacto del rayo se determina por el objeto
en tierra más cercano de la distancia de cebamiento d del trazador. Todo sucede
como si el trazador estuviera envuelto en una esfera ficticia de radio d que se
desplaza con él. Para una buena protección, es necesario que la esfera ficticia
ruede en el suelo alcanzando el pararrayos sin tocar los objetos a proteger
(ver figura 7-b).
De forma aproximada, la protección contra el rayo directo
es buena en un cono donde el vértice es la punta del pararrayos y la mitad del
ángulo en el vértice es de 45 º.
Figura 7-b: Determinación de la zona
protegida por un pararrayos
por el método de la “esfera ficticia”
■ Rayo directo
(sobre conductores de fase)
Cuando el rayo cae sobre un conductor de fase de una
línea, la mitad de la corriente i(t) se reparte por cada lado del punto de
impacto y se propaga a lo largo de los conductores. Estos presentan una
impedancia de onda Z donde el valor está comprendido entre 300 y 500 Ω. Esta
impedancia es la que se observa por el frente de onda, es independiente de la
longitud de la línea y de naturaleza distinta de la impedancia a 50 Hz.
Esto da como resultado una onda de tensión:
Que se propaga a lo largo de la línea (ver figura 8).
Figura 8: Descarga de un rayo sobre un
conductor de fase.
Según la amplitud de la corriente del rayo, se pueden
presentar dos casos:
□ Propagación en
onda plena
Si la tensión máxima (Umax = Z · Imáx/2)
es inferior a la tensión de cebado Ua de la cadena de aisladores, la totalidad
de la onda (plena) se propaga a lo largo de la línea.
□ Propagación en
onda cortada
En el caso donde Umax ≥ Ua, en primera
aproximación el cebado de los aisladores se produce al valor Ua, produciéndose
un defecto fase-tierra a 50 Hz debido, al mantenimiento del arco. La onda del
rayo que se propaga será en tal caso cortada al valor máximo correspondiente de
Ua.
La corriente del rayo que provoca este cebamiento, en una
línea determinada, se le llama corriente crítica IC tal que:
Para las líneas, el orden de magnitud de IC es:
-5,5 kA en 225 kV, que corresponde a una probabilidad del
95 % según IEEE (ver figura 2)
-8,5 kA en 400 kV, que corresponde a una probabilidad del
92 % según IEEE (ver figura 2)
En media tensión, el cebado es sistemático en caso de
caída de rayo por las escasas distancias en el aire de las cadenas de
aisladores. El contorneamiento de los aisladores genera una corriente de
defecto fase-tierra, que se mantiene a la frecuencia industrial de 50 Hz hasta
su eliminación por las protecciones.
■ Caídas de rayo
indirectas (sobre conductores de guarda o torres)
En este caso, la circulación de la corriente del rayo
hacia tierra provoca una elevación del potencial de las estructuras metálicas
(ver figura 9)
La punta de la torre alcanza un potencial que depende de
su inductancia propia L y de la resistencia de tierra R:
K : relación de la corriente derivada en la torre por la
corriente incidente.
Figura 9: Descarga de un rayo sobre un cable
de guarda
La tensión U puede alcanzar el límite de contorneo a la
onda de choque de la cadena de aisladores y provocar su ruptura. Se trata del
«cebado de retorno» o «blackflashover». Una parte de la corriente se propaga
sobre la o las fases sobre las que se produjo el cebado hacia los usuarios; en
general, esta corriente es superior a la de una descarga directa de un rayo.
En muy alta tensión, el cebado de retorno es poco
probable (nivel de aislamiento de los aisladores), es por ello interesante la
instalación de cables de guarda (limitado número de interrupciones de
servicio). Pero, por debajo de los 90 kV, el cebado de retorno se produce tanto
por valores bajos de resistencia de tierra
(< 15 Ω); en tal caso, el interés del cable de guarda es limitado
(interrupciones de servicio más frecuentes).
□ Descarga
inducida
Una descarga de rayo que cae en el suelo se comporta como
una fuente de radiación de un campo electromagnético.
La radiación es tanto más importante cuanto más escarpado
es el frente de subida de la corriente del rayo.
Para frentes escarpados de 50 a 100 kA/µs. los efectos de
este campo se harán sentir a varios cientos de metros, incluso a varios
kilómetros.
El campo magnético
H en un punto situado a una distancia r de un circuito recorrido por una
corriente I viene dado por la relación:
Este campo crea en los circuitos próximos tensiones
inducidas que pueden alcanzar valores peligrosos para el material y las
personas.
● Caso de un bucle
Si consideramos el bucle formado por el cable de
alimentación y el enlace de teletransmisión de la figura 10, de superficie S y
situada a 100 m del impacto del rayo donde el frente de escarpado de subida de
la corriente es de 80 kA/µs.
La tensión inducida viene dada por la relación:
µ0 = 4π · 10-7: Permeabilidad
magnética del vacío
De donde:
Aparece
por tanto una tensión fase-tierra de 19 kV en el bucle. Esta es de muy corta
duración ( ≈ 1µs) pero puede provocar la ruptura de los aislantes.
Para
evitar este riesgo, es necesario reducir las superficies de los bucles de los
circuitos.
Figura 10: Bucle de circuitos
■ Transmisión de la onda de choque en un transformador (IEC 71-2 – anexo A)
En
las condiciones de una descarga de rayo, el transformador se comporta como un
divisor capacitivo de relación s ≤ 0,4. Es equivalente a una capacidad Ct (ver
figura 11-a).
U1 : Tensión de choque en el borne de alta
tensión
U0
: Tensión transmitida en vacío
Figura 11-a:
Transmisión de la onda de choque en un transformador.
U0
representa la sobretensión en vacío, es decir cuando los bornes de salida del
secundario no están conectados a ninguna red. Esta sobretensión no es
generalmente tolerada por el transformador.
En
realidad, el transformador está conectado a una red de capacidad Cs. Esta juega
el papel de divisor de tensión con la capacidad Ct del transformador (ver
figura 11-b).
U2 : Tensión
transmitida al secundario con una red
Figura 11-b:
Transformador con su red equivalente
La
tensión transmitida al secundario es:
Los
valores de Ct se sitúan generalmente entre 1 y 10 nF. La capacidad de un cable
es cercana a 0,4 nF/m. Por lo que, algunas decenas de metros de cable permiten
atenuar fuertemente la sobretensión transmitida en el secundario.
En
general, la red es suficientemente extensa para que la sobretensión transmitida
no de lugar a problemas.
Por
el contrario, en el caso de enlaces cortos, por ejemplo un transformador para
horno de arco, la sobretensión transmitida puede ser inaceptable para el
material del lado de baja tensión.
Para
reducir la amplitud del choque transmitido, se puede:
·
Utilizar en el lado
de alta tensión autoválvulas con tensión de cebado más baja.
·
Instalar
autoválvulas en el lado de baja tensión entre cada fase y tierra
·
Incrementar la
capacidad entre cada fase y tierra en el lado de baja tensión.
FUENTES:
Cuadernos
Técnicos Schneider Electric: CT 151, CT 168, CT 179
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