Todos sabemos que los pararrayos tienen una función muy importante, pero a la hora de la verdad no son pocas las personas que desconocen como funcionan exactamente o qué tipos de pararrayos existen, y sobre todo no saben qué es lo que hace que sean un elemento fundamental en toda población.

Normalmente se describe a un pararrayos como un instrumento cuyo objetivo es atraer un rayo ionizado del aire para conducir la descarga hacia tierra, de tal modo que no cause daños a personas o construcciones. Wikipedia

Entonces, conociendo que los pararrayos sirven para atraer los rayos y evitar así que éstos causen daños, veamos en primer lugar por qué es necesario protegerse de los rayos. 

¿Qué es un Rayo?

El rayo es un fenómeno natural capaz de producir una catástrofe en tan sólo unos segundos. No puedes hacer nada al respecto, sólo controlar el daño.

Esta descarga de electricidad estática  impacta en la superficie con una gran potencia, la suficiente para causar la muerte de una persona, animales o provocar graves daños en edificios o instalaciones.

La fuerza indomable que posee un rayo tiene el poder de aplastar y desmoronar cualquier estructura si no está adecuadamente protegida, independiente de que sea una estructura humilde o una imponente.

Además, un rayo puede causar la muerte u ocasionar  graves lesiones a las personas. Se calcula que mas del 80% de las personas de las personas que han sido alcanzadas por un rayo mueren y un 20% de los sobrevivientes quedan con secuelas físicas y mentales que los acompañan toda la vida.

Las descargas atmosféricas son eventos de la naturaleza, no existe ninguna manera de evitarlos, pero si hay una manera de ofrecer una protección integral a través de la instalación de sistemas de pararrayos modernos.

¿Cómo se Forman los Rayos?

La aproximación de una nube de tormenta (cumulonimbus) provoca, por inducción en el suelo, la creación de una carga imagen de polaridad contraria al balance de sus cargas.

Entre ambas cargas que están separadas por un dieléctrico, en otras palabras la capa de aire entre ellas, se genera un campo electrostático que puede llegar a superar los 30 KV/m.

Este gradiente inicia la creación de  descargas   por  efecto  corona a partir de las irregularidades del suelo o de las masas metálicas vinculadas al mismo, o de la nube de tormenta.

La secuencia de eventos que constituyen el rayo comienza con la formación en la nube de un trazador descendente que avanza por pasos hacia el suelo.

La explicación del porqué, en la enorme mayoría de los casos, el trazador se inicia en la nube es sencilla: nube y suelo forman las dos placas de un capacitor con un aislante interpuesto representado por un estrato de aire.

La generación de cargas eléctricas en el seno de la nube, incrementada por el fenómeno de inducción mutua, va cargando el capacitor hasta que en una de las dos placas supera el valor de la rigidez dieléctrica del aire y nace el trazador.

En la gran mayoría de los casos, el aire está mucho más ionizado en la parte superior de la atmósfera. Esto es debido a la agresión de la radiación cósmica primaria que en las cercanías del suelo donde la generación de los núcleos de Aitken debido a la polución ambiental producen los grandes iones a costa de los iones libres. 

Este hecho incrementa en gran medida, en los primeros 100 o 150 metros,  la rigidez dieléctrica del aire inferior. Esto explica el porqué se producen con más frecuencia los rayos nube-tierra.

El centro del trazador está formado por una grieta de no más de 15 milímetros. Esta grieta está llena de iones provenientes de la masa de la parte inferior de la nube que en la gran mayoría de los casos son negativos.

Este canal, lleno de aire 100% ionizado y que alcanza una temperatura cercana a los 15.000 grados Celsius, constituye un conductor casi perfecto que va acercando al suelo el potencial con respecto al mismo existente en la base de la nube (100 a 1000 MV).

Debido a fenómenos que no analizaremos aquí, avanza por pasos no mayores de 50 a 80 metros constituyendo lo que llamamos el "trazador de pasos".

El trazador de pasos que se acerca va aumentando el gradiente en los puntos de concentración de las estructuras unidas al suelo como ángulos diedros, esquinas de los edificios o puntos prominentes como árboles solitarios, etc. con lo que se producen en los mismos” trazadores” que se dirigen en busca del líder  que se acerca.

En toda la zona de influencia del trazador de pasos, que es variable y dependiente de la cantidad de electricidad almacenada en su canal (esta cantidad es una variable aleatoria cuya distribución de frecuencia   sigue una lognormal).

Todas  las  propiedades  y fenómenos asociados al rayo son funciones de esta variable independiente y, por lo tanto, presentan su mismo tipo de aleatoriedad: desarrollan trazadores que se dirigen hacia el líder.

El primero en alcanzarlo produce un cortocircuito franco entre la nube y el suelo generando el fenómeno culminante del rayo: la "corriente de retorno". 

El rayo es esencialmente un fenómeno electrodinámico. El punto en que se produce  el encuentro de ambos trazadores recibe el nombre de "punto de encuentro".

Esta descripción del fenómeno recibe el nombre de "modelo electromagnético".

Para precisar los límites de su aplicación debe destacarse que ha sido desarrollado para un rayo negativo nube-tierra y su aplicación para otro tipo de rayo debe ser ampliamente justificada. Por lo pronto es inaplicable para los rayos positivos tierra nube conocidos como rayos calientes.

Nubes de tormenta que generan rayos

Los rayos son unos de las manifestaciones más impresionantes que la naturaleza nos brinda, y además, no son nada exclusivos, ya que unos 100 rayos golpean la tierra cada segundo.

Estas enormes y poderosas descargas eléctricas se generan en nubes de tipo tormentoso de gran altura denominadas cumulonimbus. 

Los cumulonimbus, o cumulonimbos, son nubes de gran desarrollo vertical, internamente formadas por una columna de aire cálido y húmedo que se eleva en forma de espiral rotatoria.

Su base suele encontrarse a menos de 2 km de altura mientras que la cima puede alcanzar unos 15 a 20 km de altitud.

En el interior de estas nubes, las diferencias en temperatura generan fuertes corrientes de aire ascendentes y descendentes.

¿Cómo se cargan eléctricamente las nubes de tormenta?

Por encima de los 5.000 metros de altura se forman partículas de granizo y cristales de hielo dentro de la nube que, arrastrados por estas corrientes de aire chocan entre sí y se cargan eléctricamente.

Al chocar los cristales adquieren una carga positiva  y el granizo una carga negativa.

De esta forma los cristales de hielo presentes dentro del cumulonimbus, y más ligeros que el granizo, son arrastrados por el viento hacia la cima de cumulonimbus formando una región de carga positiva entre los 8.000 y 10.000 metros de altura, mientras que a unos 5.000 metros de altura se acumula la carga negativa.

¿Cómo se dispara el rayo?

Por la influencia de estas cargas, la superficie terrestre debajo de la nube también adquiere carga positiva, lo que genera un campo eléctrico que sigue a la nube. 

Como el aire no es buen conductor de la electricidad, la acumulación de cargas debe ser muy grande para que el campo eléctrico sea lo suficientemente fuerte y se pueda formar el rayo.

Cuando esto sucede, comienza a crearse un canal de aire ionizado entre la nube y la superficie, o dicho de otra forma, un puente de menos resistencia para la propagación de energía.

Las cargas se atraen mutuamente hasta cerrar el camino y se produce un rápido intercambio de cargas  entre la superficie y la nube.

La transferencia de cargas tiene asociada una luz muy intensa que se conoce como relámpago.

El rayo hace que el aire que lo rodea se caliente muy rápido incrementando la presión y originando una onda expansiva que da lugar a lo que escuchamos y conocemos como trueno.

O sea que, literalmente, se puede decir que el rayo rompe el aire a su paso.

La caída de los rayos se produce cuando la diferencia de potencial entre la nube y la tierra supera la capacidad aislante del aire.

Incluso se han registrado casos de caída de rayos a más de 20 km de distancia del lugar de la descarga de la tormenta, haciendo que el peligro sea aún más inminente.

Cumulonimbus - Esquema gráfico 

             

Nubes de gran desarrollo vertical. 


Base menos de 2 km de altura - La cima puede alcanzar unos 15 a 20 Km.


La diferencia de temperatura genera fuertes corrientes de aire.


Al chocar los cristales de hielo adquieren carga positiva y el granizo carga negativa.


La superficie terrestre debajo de la nube también adquiere carga positiva


Las cargas se atraen mutuamente y se produce un rápido intercambio de cargas  entre la superficie y la nube.

¿Con qué frecuencia caen los rayos?

Según datos de la Organización Meteorológica Mundial (OMM), a diario se producen en el mundo unas 44.000 tormentas y se generan más de 8 millones de rayos.

Esta es una razón suficiente para proteger no sólo las construcciones sino también a las personas que los rodean.

Invertir en sistemas de protección contra rayos resulta mucho más económico en comparación al extra coste que hay que pagar por la reparación de estructuras, o de sistemas y dispositivos eléctricos dañados debido a una sobrecarga de energía.

Es preferible instalar un sistema de protección  que sufrir las consecuencias de la caída de un rayo, como por ejemplo el tiempo de inactividad eléctrica,  sumado al alto coste de las reparaciones.

Efectos Destructivos de Los Rayos

Efectos Eléctricos: destrucción de equipos

La generación de sobretensiones pueden dañar los equipos conectados a la red eléctrica.

Efectos de Inducción:

Todo conductor sufre el paso de corrientes inducidas dentro de un campo electromagnético variable. Si estos conductores llegan a equipos electrónicos o informáticos pueden llegar a producir daños irreversibles.

Efectos Térmicos: incendios

La formación de chispas y la disipación de calor por efecto Joule pueden llegar a provocar incendios.

Efectos Electrodinámicos: daños en edificios

A raíz de las fuerzas generadas por el elevado campo magnético que se produce se pueden llegar a producir deformaciones y roturas en la estructura de los edificios.

Efectos sobre las personas y animales: electrocuciones y quemaduras

El paso de una corriente de una cierta intensidad durante un corto plazo de tiempo es suficiente para provocar riesgo de electrocución y quemaduras en personas y animales.

¿Cómo Proteger las Instalaciones de Tu Empresa Contra las Descargas Atmosféricas?

Un sólo rayo, que transporta hasta 30 millones de voltios de electricidad, puede causar daños irreparables.

En un mundo de edificios y equipos cada vez más complejos, el rayo es un riesgo continuo. Una descarga puede dañar los edificios y producir fallos en los equipos electrónicos. Además puede ocasionar un incendio y pérdidas económicas muy graves.

Afortunadamente, hay sistemas de protección contra rayos disponibles para mantener segura a tu compañía. Aquí no sólo cuenta los edificios y estructuras industriales, los sistemas eléctricos y electrónicos,  sino también las personas que trabajan en tu empresa.

En 1753 Benjamín Franklin inventó el pararrayos, un instrumento cuyo objetivo es atraer el rayo para conducir la descarga eléctrica a tierra a un punto determinado, de tal manera que disminuya el riesgo de muerte, y daños a estructuras.

Hoy en día, el pararrayos forma parte de un sistema de protección contra rayos (SPCR).

Sistema de protección contra rayos

Un sistema de protección contra el rayo (SPCR) tiene cuatro objetivos básicos:

  1. 1
     Capturar el rayo.
  2. 2
    Conducir la corriente del rayo de forma segura a la tierra.
  3. 3
    Disipar la corriente del rayo en tierra.
  4. 4
    Proteger contra los efectos secundarios del rayo.

Pararrayos: definición y tipos

Un pararrayos es una estructura metálica con ángulo diedro, cuya función es aumentar el campo eléctrico en la punta (efecto corona) y atraer el rayo a ese punto determinado (pararrayos), disminuyendo el riesgo de impacto en cualquier otro punto del plano a proteger.

Los sistemas de pararrayos se pueden dividir en dos grupos: los pararrayos activos y los pararrayos pasivos.

¿Qué es un Sistema de Puntas Simples?

SISTEMA PASIVO

Las puntas captadoras o puntas franklin no realizan ninguna acción especial durante la tormenta eléctrica, la protección de las puntas captadoras se basa en la posición de las varillas, la morfología, el material y la reacción física que se realiza en el campo electrostático.

La carga positiva asciende desde suelo, a través de la conexión de toma de tierra, hasta la punta del pararrayos, que al situarse en una altura predominante, se convierte en un punto favorable a la caída del rayo, evitando que la descarga se produzca en otra parte de la instalación.

Se puede reforzar la protección de las puntas captadoras con una malla captadora. La malla captadora es una red metálica conectada a tierra que cubre todo el edificio, cuando el rayo impacta la descarga se distribuye por toda la malla, reduciendo el daño que puede causar a la instalación.

¿Qué es un Sistema de Pararrayos Iónicos?

SISTEMA ACTIVO

Los pararrayos iónicos que pertenecen al grupo de sistemas de pararrayos activos cuentan con elementos que logran anticiparse al rayo para mantener protegida el resto de la zona. 

El principio de funcionamiento es el mismo que la punta captadora simple pero se añade un sistema de ionización adicional que consigue cubrir un radio de protección mayor.

Estos sistemas crean un trazador ascendente a más distancia gracias a la ionización extra del pararrayos, que se activa con el campo electromagnético producido por la tormenta, que atrae al rayo hasta su ubicación, donde el sistema de protección conduce el rayo hasta el suelo manteniendo toda la instalación protegida.

Esta ionización, que no pierde capacidad con el tiempo, permite tener una protección activa con un radio de protección más amplio. Con esta metodología se logra no solo cubrir la estructura sino también sus alrededores o zonas abiertas.

Protección Activa vs Protección Pasiva

La diferencia entre la protección activa y la pasiva es la actividad que realizan estos sistemas durante una tormenta.

El radio de protección que pueden llegar a cubrir los distintos tipos de protección externa contra los rayos es la principal diferencia (y la más importante).

Esta diferencia es lo que permite especificar las ventajas de un sistema de protección ACTIVA:

  • Radio de protección mucho más elevado: puede llegar a cubrir más del doble del radio de protección de un pararrayos simple, depende del modelo.
  • Más económico: cuando se debe cubrir una zona muy amplia, puede ser más costoso instalar un número elevado de puntas franklin simples que la instalación de un sistema de pararrayos ACTIVO.
  • Impacto visual más reducido: al necesitar menos elementos, la estética de la estructura o de la zona protegida se verá menos afectada.
  • Mayor seguridad: la protección activa no sólo protege la estructura sino también los alrededores y las zonas abiertas.

A continuación conocerás los dos sistemas de pararrayos activos diseñados y patentados por Proinex.

Pararrayos Activos

Cuáles son y que características tienen

En Proinex contamos con 2 diseños distintos de pararrayos que se utilizan, según lo requiera el diseño de la protección a realizar.

Pararrayos Punta Franklin ENZA-2

El parrayos ENZA-2® es un pararrayos ionizante del tipo activo. Este pararrayos fabricado íntegramente en acero inoxidable, se destaca por su particular estética, su tamaño reducido y su alta performance.

Fue desarrollado con el objetivo de optimizar el clásico captor Franklin.

Como resultado se obtuvo un diseño cuyo desempeño supera ampliamente al de una punta Franklin convencional, aumentando la seguridad aplicando del radio de cobertura de un pararrayo pasivo.

¿Cómo Funciona El Pararrayos ENZA-2?

El ENZA-2® es un pararrayos que posee un poderoso ionizador del aire de sus inmediaciones.

Está equipado de un emisor de iones compuesto por 4 electrodos de 300mm de longitud, los cuales son energizados por el campo electroestático, que va aumentando por la actividad de la nube de tormenta que se acerca a la zona de protección.

Esto marca diferencias notables con respecto al pararrayos Punta Franklin que, al no disponer de un emisor de ionización del aire, torna más insegura el área protegida.

La ionización producida por los emisores del pararrayos ENZA-2® se incrementa potencialmente al acercarse el rayo, lo que deteriora la rigidez dieléctrica del aire y disminuye notablemente el gradiente de disparo del pararrayos.

De esta manera, un mismo rayo induce el retorno cuando el líder de pasos está más lejos, lo que explica que el pararrayos ENZA-2® obtiene una mayor performace que una Punta Franklin estándar.

Pararrayos Iónico EOS-34

El EOS-34® es un pararrayos iónico del grupo de pararrayos activos que cuenta de 3 partes:

  1. La punta de Franklin
  2. Los emisores
  3. El acelerador de iones

Ampliar la zona de protección de la punta Franklin ha sido uno de los principales objetivos desde la invención del pararrayos.

Gustavo Carpat en 1931 logró este objetivo mediante la ionización del aire circundante a la punta Franklin mediante fuentes ionizantes externas.

En Proinex fuimos un paso más allá y desarrollamos el pararrayos iónico EOS-34® que presenta ventajas frente a otras soluciones.

El funcionamiento del pararrayos iónico EOS-34® se basa en la toma de energía del campo electrostático generado por la nube de tormenta y por el rayo que se genera de forma descendente desde la nube, y a medida que va avanzando hacia la tierra, genera un incremento en el gradiente del entorno en el cual se encuentra el pararrayos iónico EOS-34®.

¿Por qué el pararrayos iónico EOS-34 es una buena solución?

Las fuentes ionizantes externas al sistema tienen energía limitada (típico es el hecho de la ionización producida por el isótopo radiactivo que no alcanza a hacerse sensible frente a la emisión de la punta de Franklin cuando el trazador se acerca).

En cambio en el pararrayos iónico EOS-34®, como la emisión depende del gradiente potencial entre el campo de referencia que toma el pararrayos y el de tierra que se incrementa a medida que el trazador de pasos se acerca, no hay límite en nuestro sistema auto-regulado.

¿Qué Función Cumplen Las Diferentes Partes Del Pararrayos Iónico EOS-34?

1- La punta de Franklin

 Es el captor clásico de punta única. (La antitécnica proliferación de puntas, según han probado las experiencias de laboratorio, hace perder eficiencia al pararrayos).

2- Los Emisores

Son 4 sondas dirigidas hacia abajo y hacia afuera cuya función es captar la tensión del campo en el aire en un estado inferior a la punta de Franklin.

3- El Acelerador de Iones

 Es es un aro concéntrico con la punta de Franklin que tiene una doble finalidad. La de acelerar los iones entregados por el emisor (a) y la de superar el límite de Townsend (b).

a- El acelerador de iones busca acelerar los iones entregados por el emisor de modo que adquieran una velocidad tal que sean desviados por el viento que circula alrededor de la punta Franklin en momentos de tormenta.

b- La segunda finalidad consiste en lograr una aceleración tal de la velocidad de los iones que permita superar el límite de la zona Townsend, multiplicando exponencialmente la cantidad de iones que rodean la punta de Franklin.

Efecto Townsend: el efecto Townsend, también llamado efecto Ramsauer, es un fenómeno físico que involucra dispersión de electrones de baja energía por átomos de un gas noble.

Los avances tecnológicos han abierto nuevos caminos a lo largo de los años en lo que respecta a la protección de edificios y estructuras industriales, haciéndolos menos vulnerables frente a la amenaza de este fenómeno natural: los rayos.

Tanto el pararrallos iónico EOS-34® como también el ENZA-2®  fueron diseñados y ensayados en el prestigioso laboratorio de alta tensión del INTI (Instituto Nacional de Tecnología Industrial de Argentina), y cuentan con su correspondiente certificación por dicha entidad.

Los sistemas de protección contra el rayo deben ser verificados después de cualquier impacto de rayo registrado en su estructura.

Es por ello que existen aparatos que cuentan los eventos de impactos de rayos y que permiten conocer si el sistema de pararrayos ha recibido una descarga.

Contador de Rayos

El Contador de Rayos Proinex es un dispositivo que hemos diseñado para registrar cada uno de los impactos de rayos en las instalaciones de protección externa contra rayos.

Este aparato electromecánico se instala en la bajante del pararrayos, a una altura de 1 metro del suelo aproximadamente,  y no precisa de ningún tipo de alimentación externa ni baterías porque utiliza la propia energía del rayo para funcionar.

Esta diseñado para detectar la energía eléctrica que es derivada al suelo a través de un conductor cuando se produce el impacto de un rayo.

El dispositivo registra cada uno de los impactos incrementando de uno en uno su contador electrónico lo que permite tener un control constante y fiable de la cantidad de descargas que el sistema de protección ha recibido.

Conclusiones

Los rayos pueden destruir y dañar edificios grandes o pequeños, instalaciones industriales o los  sistemas y equipos electrónicos.

Además de eso, no se puede permanecer ciego a los riesgos potenciales de pérdidas irrevocables en la vida humana.

Teniendo en cuenta las pérdidas económicas inimaginables que enfrenta un propietario como resultado de este fenómeno natural, no se deben ignorar las necesidades de equipar tu empresa con una instalación adecuada de protección contra rayos.

La inversión en un sistema de protección contra rayos resulta más económica que afrontar los costes por daños y averías en estructuras, en equipos eléctricos y electrónicos causados por las descargas atmosféricas.

PROINEX TEAM


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