REQUISITOS DE ATERRIZAJE PARA PROTECCIÓN CONTRA DESCARGAS ELECTRICAS ATMOSFERICAS.

 

Roy B. Carpenter Jr. , Chief Technologist.

Lightning Eliminators & Consultants, Inc.

 

 

LAS CONDICIONES QUE INFLUYEN EN EL PROBLEMA.

 

Cuando una célula de tormenta (nube) se mueve dentro de un área, trae consigo un mecanismo de carga eléctrica dentro de la célula, que crea un fuerte campo electrostático entre la célula de tormenta y la tierra. También crea una “sombra electrostática” sobre la superficie de la tierra, de igual potencial pero de diferente polaridad con referencia a la carga de tormenta inducida en la célula de la tormenta. Los resultados son similares a los que se ilustran en la Figura 1. Es de suma importancia para el diseño del sistema de tierra, para entender lo que esta situación representa.

 

 

 

Esto requiere solamente de un rápido análisis para darse cuenta de la importante trascendencia .de las condiciones previas a la descarga eléctrica atmosférica (rayo). Favor de notar que:

 

  1. El espacio de aire entre la célula de tormenta y la superficie de la tierra es un aislamiento con las propiedades dieléctricas del aire.
  2. La célula de tormenta y la tierra pueden considerarse como dos conductores separados por ese aislante.
  3. El voltaje o diferencia de potencial entre esos dos conductores puede alcanzar l08 volts, más o menos un factor de 10.
  4. La fuerza electromotriz definida por la Ley de Coulomb crea una fuerza de atracción entre la carga de la célula de tormenta, usualmente tomada sobre la superficie de la tierra, normalmente tomada como positiva. Una polaridad inversa puede existir, sin embargo las fuerzas entre ellas es la misma. Esto es: Existe una fuerza electrostática significativa entre la carga inducida sobre la tierra y aquella generada dentro de la célula de tormenta. Entender el significado de esta fuerza es esencial para la comprensión y aceptación de los requisitos del sistema de aterrizaje para CUALQUIER forma de Sistema de PROTECCION contra Rayos. Específicamente, la presencia de esta fuerza:

 

  1. Atrae la carga a la superficie de la tierra.
  2. Atrae la carga a los límites de las instalaciones más elevados de la tierra –buenos conductores, como tanques metálicos y otros; y aún en semi conductores, tales como edificios, árboles y masas de terreno elevadas.

 

En este punto es necesario hacer una revisión a las causas y las características de una descarga eléctrica atmosférica o Rayo. La causa es simple, si la capacidad  dieléctrica del aire, es excedida y se rompe por una gran diferencia de potencial, manifestada en el mecanismo conocido como “Stepping Leader” (Relámpago). Conforme ese relámpago se aproxima a la superficie de la tierra, la carga eléctrica inducida sobre la tierra tenderá a concentrarse directamente bajo el camino o trayectoria de ese “leader” o relámpago, empezando entre 100 y 300 metros sobre el nivel de la superficie de la tierra del sitio, nuevamente debido a las fuerzas relacionadas con la descarga eléctrica atmosférica.

 

Ahora, es importante notar que la carga en el límite de la tierra es:

 

  1. En la superficie de la tierra, no a una gran profundidad de la tierra.
  2. Concentrada abajo del relámpago que se aproxima, a los puntos más altos.
  3. Cuando ocurre la terminación sobre tierra, de un relámpago, se inicia una “descarga”.
  4. La “descarga” es una transferencia de carga eléctrica entre dos cuerpos; en este caso entre la célula de tormenta y la tierra.

 

De acuerdo con lo anterior es cierto como lo establecen las leyes de la electrostática, que debemos diseñar los “Sistemas de Tierras” relacionados con descargas eléctricas para satisfacer, facilitar y alcanzar los objetivos de la transferencia de carga. Favor de notar que esto no es solamente hacer una conexión de baja resistencia a tierra: ya que la resistencia está relacionada con la Corriente Directa (CD), y el rayo en sí no es solamente CD, y de el derivan fenómenos transitorios con altísimas frecuencias. Puesto que la descarga eléctrica atmosférica o rayo es un fenómeno transitorio, requerirá del desarrollo de un circuito Colector de Carga que facilitará un rápido movimiento de esa carga desde cualquier punto en la instalación “protegida” al canal de transferencia de carga o al colector de la descarga eléctrica atmosférica o rayo.

 

Nuevamente, dado que los antecedentes son obviamente reales para las leyes de la Física Electrostática, debemos redefinir los requisitos de un sistema de tierra física para un sistema de protección contra rayos independientemente de que se trate de un Sistema Colector o un Sistema Preventor.  Esos requisitos son:

 

  1. Un camino eléctrico desde todos los conductores en la instalación “a ser protegida” al lugar al que se va a transferir la carga, colector, o medio de ionización.
  2. Un camino de baja impedancia desde esos componentes de la instalación protegida al medio de transferencia de carga.

 

Favor de notar que una baja resistencia de corriente directa (DC) a tierra, no es relevante para una protección contra una descarga eléctrica atmosférica o rayo, y si es necesario para la protección un “Sistema de Tierra Física” que provea un camino de baja impedancia desde cualquier componente en la instalación “a ser protegida”, al medio de transferencia de carga.

 

Por ejemplo, un edificio de acero forma un excelente colector y conductor. Los tanques de almacenamiento metálicos o que son buenos conductores eléctricos, son también excelentes colectores y conductores. Aún un automóvil, camión, o aeronave, califican como colectores y conductores. Sin embargo, a la carga concentrada abajo y alrededor de ellos puede hacerle falta el uso de un camino de transferencia formado por el camión y el automóvil. En este caso, la antena puede ser impactada y  las llantas pueden estallar por la carga pasando a través de ellas.

Sin embargo, las personas que se encuentran en el interior están protegidas porque esto es el equivalente de una “Jaula de Faraday”, como la historia lo muestra, debido a la carga fluyendo sobre la superficie del vehículo.

 

Por favor notar que la profundidad de los pozos o la longitud de las varillas son inefectivas, según lo muestra la Figura 2 donde se ilustra la resistencia a tierra en función de la profundidad de la varilla, tomado del  IEEE y el trabajo de TAGG, una

Autoridad Internacionalmente respetada en Sistemas de Tierras.

 

 

 

 

 

El Factor de la Impedancia de Surge.

 

La Impedancia de Surge o reactancia de una conexión a tierra es un importante factor para cualquier forma de diseño de un Sistema de Protección contra descargas eléctricas atmosféricas. Puesto que la gran frecuencia en una descarga eléctrica atmosférica se agrupa en UN  Megahertz; el Sistema de Tierras debe ser capaz de “manejar” esas frecuencias en el mínimo de tiempo. Cualquier demora significativa en la descarga provocaría arqueos y múltiples caminos a tierra, lo cual no es deseable.

 

El factor, impedancia de surge está en función del diámetro del electrodo conductor, como se ilustra por la Figura No. 3.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

El mensaje es claro, a mayor diámetro del electrodo es más baja la impedancia de surge. De acuerdo con esta información, es evidente que un diámetro de 24” (60 cms.) para un buen conductor, se considera como óptimo. La Figura 4 ilustra como se puede lograr esto, usando la tecnología de los electrodos CHEM ROD de LEC, y los discos de expansión con el relleno acondicionador de la tierra (GAF). El CHEM ROD es un electrodo para tierra, químicamente activado que acondiciona el suelo con sales metálicas que lo hacen muy conductivo. El GAF absorbe y mantiene la humedad. Esta combinación logra una baja resistencia, y baja impedancia de surge en una conexión eléctrica con la tierra. La humedad de las sales metálicas que rodea al electrodo genera una bajísima resistencia de conexión a tierra como lo indican las pruebas efectuadas por los laboratorios de la NFPA, tal como aparece en estas mismas Normas.

 

 

 

 

 

 

 

CONCLUSIONES PARA LOGRAR LA SEGURIDAD EN UNA CONEXIÓN ELECTRICA A TIERRA, DE MUY BAJA IMPEDANCIA.

 

  1. El Aterrizaje para sistemas de protecciones contra descargas eléctricas atmosféricas deberá considerar todos los efectos transitorios relacionados con las mismas.
  2. La longitud de los electrodos es un factor muy importante ya que puede hacer muy caro e ineficiente a un sistema de tierras.
  3. Se requieren sistemas de tierras de muy baja impedancia.
  4. Las cargas eléctricas inducidas por los rayos, se localizan en la superficie de la tierra.
  5. El sistema de aterrizaje para un sistema de protección contra rayos, es un colector de cargas eléctricas que debe estar a una profundidad de 25 centímetros de la superficie de la tierra.
  6. La tecnología de los electrodos CHEM ROD de LEC ofrece un método muy  efectivo y un programa de cálculo, totalmente de acuerdo con la Norma 80 2000 del IEEE, accesible para todos libre de costo en nuestra página Web:  www.lecmex.com .