La protección contra el rayo en Cuba. Limitaciones, efectividad y normalización

Resumen

En el presente trabajo se revisan los métodos
normalizados de protección contra el rayo, que
están basados en teorías muy simplificadas y no
siempre coherentes. Sin embargo, la realidad demuestra su
eficacia ya que se han evitado daños a las estructuras.
Cuba es un país idóneo para comprobar
empíricamente esta eficacia, ya que se caracteriza por una
muy alta incidencia de rayos y miles de instalaciones de
protección que son regularmente fiscalizadas por la APCI.
Aquí se repasan las normativas existentes a niveles
internacional y nacional donde, a pesar de que la mayoría
de las instalaciones son de pararrayos con dispositivo de cebado,
la única norma de protección contra el rayo
existente es la que trata de los captadores tipos
Franklin.

1. Métodos
y sistemas de proyección contra rayos.

La ubicación de los captadores depende del modelo
físico que se utilice para describir el comportamiento del
rayo. El desarrollo de estos modelos ha continuado en los
últimos 250 años y tienen su base en las
observaciones hechas sobre el propio fenómeno natural.
Aunque dichos modelos tienden a ser simplificados, si se comparan
con las características reales del desarrollo y
propagación del rayo, sus efectividades han sido probadas
mediante observaciones empíricas hechas durante largos
períodos de tiempo.

1.1. Métodos de
posicionamiento

Cuando se toma la decisión de dotar a una
estructura de un sistema externo de protección contra
rayos con la finalidad de evitar daños físicos a la
misma debido a las descargas que puedan impactar, corresponde
entonces determinar la cantidad, dimensiones y lugar de
ubicación de captadores a instalar para lograr la
"eficiencia de intercepción" o la clase de
protección deseada para la estructura.

Existen tres métodos de diseño aceptados
por las normas para el posicionamiento de los captadores. Estos
son: el método del ángulo de protección, el
método de la malla y el método de la esfera
rodante.

1.1.1. Método del Ángulo de
Protección.

Este método se basa en la asunción de que
un captador u objeto elevado conectado a tierra crea un espacio
cónico adyacente que es inmune al rayo. El concepto del
"Cono de Protección" para definir una zona de
protección tiene sus raíces en los inicios mismos
de los estudios de protección contra rayo. Aunque a
finales de los 1700 Franklin reconoció su
limitación en el intervalo de captura, este concepto fue
formalmente propuesto por la Academia Francesa de Ciencias en
1823 e inicialmente usado con una relación de la base
igual a dos veces la altura (o sea, un ángulo de 63°).
En 1855, este ángulo se cambió a 45 ° debido a
los fallos reportados con este método. A lo largo del
tiempo han sido usados otros ángulos con un nivel de
éxito variable. Es evidente que mientras más
pequeño se asuma el volumen del cono de protección,
más efectivo será el captador en la
intercepción del líder de rayo. En algunas normas
actuales, se usa un ángulo variable con la altura de la
estructura. Además, este ángulo de
protección puede aumentarse cuando se considera la
ubicación de un captador en el interior de grandes
superficies planas, debido a la reducida intensidad campo
eléctrico.

La ubicación del sistema de captura se considera
adecuada si la estructura a proteger está situada
completamente dentro del volumen de protección dado por
dicho sistema.

Para la determinación del volumen de
protección sólo se tendrán en cuenta las
dimensiones físicas reales de de los captadores. El
volumen de protección mediante una punta se asume que
tiene la forma de un cono recto de base circular con
vértice localizado en el extremo de la punta y
semiángulo a que depende del nivel de protección y
altura de la punta. El volumen de protección mediante un
conductor tendido se define por la composición de los
volúmenes protegidos por las puntas verticales virtuales y
los conductores que viajan entre los extremos de las
puntas.

1.1.2. Método de malla

Consiste en ubicar conductores directamente sobre un
edificio de manera que formen una malla de dimensiones
preestablecidas. Estas dimisiones varían de acuerdo al
nivel de protección, por ejemplo, para los casos de alto
riesgo se utiliza una malla de 5 x 5 m y para los escenarios
menos exigentes una malla de 20 x 20 m. El sistema de captura
tipo malla requiere una rigurosa práctica de unión
equipotencial así como su unión a la red de
electrodos de tierra usando bajantes con el adecuado
espaciamiento.

No existe relación entre este método y el
anteriormente descrito. Las reglas del método de malla
están determinadas por la experiencia práctica y
sin ninguna investigación teórica o
experimental.

Trabajos recientes demuestran que la protección
de los captadores diseñada por este método
sólo funciona de manera aleatoria. Más bien
actúa como un colector para la circulación de la
corriente por la cubierta y existe peligro real de
penetración de dicha corriente en la
estructura.

Los conductores que conforman la malla no constituyen
puntos preferidos de impacto de rayo si los mismos están
posicionados directamente sobre la cubierta del edificio. Sus
probabilidades de intercepción no son mayores que las de
un punto expuesto cercano. Este planteamiento queda
claramente demostrado si se aplica el método de la esfera
rodante (RSM), donde se aprecia que el rayo puede
impactar en el interior de las retículas que forman la
malla.

Además, como la rigidez dieléctrica de los
materiales de construcción como el hormigón es
mucho menor que la del aire, la descarga de rayo puede saltar
hacia el elemento estructural más cercano, con
consecuencias impredecibles. Este método no encuentra
aplicación práctica para la gran mayoría de
los edificios comunes donde existen obstáculos sobre la
cubierta, como las antenas de comunicaciones, afecta el aspecto
estético y es costoso. [6]

1.1.3. Método de la Esfera
Rodante.

Este método fue introducido por primera vez en la
norma húngara de protección contra rayo de
1962. Los primeros estudios hechos con este método
fueron aproximadamente en 1970 en los Estados Unidos. Fue en
1978, para la protección contra el impacto del rayo de los
conductores de las líneas de transmisión de
energía eléctrica, cuando primero de aplicó.
Se introdujo en la NFPA 780 en la edición de 1980.
Actualmente, es el método que más frecuentemente
aparece en los documentos normativos de todo el mundo.

La base física de este método es el Modelo
Electrogeométrico (EGM). Para aplicarlo se hace rodar una
esfera imaginaria sobre la estructura en todas las direcciones.
Se considera que todos los puntos de contacto requieren
protección y que no es necesaria en las superficies y
volúmenes no afectados.

Este método parte de las siguientes suposiciones
fundamentales:

– el punto de impacto del rayo se determina cuando el
líder descendente se aproxima a la tierra o a una
estructura a la distancia de impacto.

– el rayo impacta al objeto en la tierra que se
encuentre más cerca de su punto de discriminación
y, por tanto, la peor posición es cuando el centro de una
esfera es común a varios objetos en la tierra.

Como el radio de la esfera y la distancia de impacto
están relacionados con la corriente del rayo, estas
suposiciones permiten concluir que el rayo no impactará
una estructura protegida si su distancia de impacto es mayor que
el radio de la esfera.

Nótese que mientras menor es la distancia de
impacto (que implica una corriente pico de rayo más baja)
la esfera que puede penetrar en la zona de protección es
más pequeña. Cuando se requiere hacer un
diseño más conservador se selecciona el radio de la
esfera usando una corriente pico menor.

La ventaja que se le adjudica al RSM es la facilidad de
su aplicación para estructuras sencillas, pero en el caso
de estructuras con formas complejas es casi imposible aplicarlo
manualmente, necesitándose entonces de un software de
modelación en 3D. Sin embargo, debido a que es una
simplificación del proceso físico de
conexión del rayo con la estructura, tiene algunas
limitaciones. Su deficiencia fundamental radica en que asigna una
habilidad de iniciación del líder igual para todos
los puntos de contacto con la estructura (no distingue entre
puntos de conexión del rayo probables y no probables) al
no tomar en cuenta la influencia de los campos eléctricos
en la iniciación de los trazadores. O sea, para una
corriente pico dada, la distancia de impacto ds es
un valor constante. Esta simplificación puede conducir a
un diseño sobredimensionado cuando los puntos
de la estructura, que presentan una intensificación
significativa del campo eléctrico, están fuera de
la zona de protección definida por la esfera y su
deficiencia se debe al origen del propio método
(protección de las líneas de transmisión de
energía eléctrica), donde los parámetros de
diámetros y alturas son uniformes. Realmente, el rayo
impacta preferentemente en las esquinas y los bordes de la
cubierta plana de un edificio respecto a su centro o la mitad
inferior de las superficies laterales.

Si se supone que la esfera rueda de manera tal que su
centro se desplaza a una velocidad lineal constante puede
obtenerse indicaciones cualitativas de la probabilidad de
contacto del rayo con cualquier punto particular del edificio. El
tiempo que dicha esfera permanece sobre ese punto del edificio
ofrece una medida cualitativa de la probabilidad de que sea
impactado. Por lo tanto, para un edificio sencillo de forma
rectangular con cubierta plana, el tiempo de demora será
grande en las esquinas y los bordes y pequeño en cualquier
otro punto de la parte plana de la cubierta, indicando
correctamente que la probabilidad de impacto en los primeros es
mayor que en los segundos.

Existen razones teóricas para creer que
sólo las descargas con baja Ip y, consecuentemente, con
bajos valores de ds puedan penetrar por debajo del nivel de la
cubierta de un edificio e impactar en los laterales. Debido a
esto, las consecuencias de un impacto en los laterales de un
edificio podrían producir daño de menor
envergadura. A menos que haya razones específicas para la
protección lateral, como sería el caso de una
estructura que contiene explosivos, normalmente se considera que
el costo de ésta no se justifica.

A pesar de las deficiencias teóricas de este
método, se ha demostrado que hasta el momento es el mejor
procedimiento aprobado para el diseño de los sistemas de
captura. Aunque el radio no puede determinarse sobre bases
teóricas, la experiencia permite asumir valores entre 20 y
60 m.

Aplicando este método, el posicionamiento de los
captadores es adecuado si ningún punto de la estructura a
proteger hace contacto con la esfera de radio R. De esta manera,
la esfera sólo toca al sistema de captura.

Cuando se aplica el RSM a un edificio de altura mayor
que el radio seleccionado de la esfera, ésta toca los
bordes verticales de los laterales del edificio por encima de una
altura igual al radio de la esfera. Esto indica la posibilidad de
impactos en los laterales del edificio y, por tanto, la necesidad
de colocar captadores en estas localizaciones. Los estudios
demuestran que aunque ocurren impactos laterales en los bordes
verticales de edificios altos, la probabilidad de estos decrece
rápidamente con la altura del punto de impacto medida
desde el terreno.

Para edificios con altura inferior a 60 m, esta
probabilidad de descargas laterales es despreciable y la
mayoría de las descargas golpearán la cubierta, los
bordes horizontales y las esquinas de la estructura. Sólo
un pequeño porcentaje de las descargas serán en los
lados de la estructura. Por ello, debe considerarse la
instalación de captadores laterales en la parte más
alta (típicamente en el 20 % superior de la altura) de los
edificios con alturas superiores a 60 m. En este caso, para el
posicionamiento del sistema de captura de la parte superior de la
estructura solo será aplicable el método de la
esfera rodante.

1.2. Tipos de captadores

Los captadores son la parte del sistema externo de
protección diseñada para interceptar las descargas
de rayo. Estos realmente operan emitiendo un líder de
propagación ascendente para interceptar el líder
descendente del rayo. Como estos líderes son aire ionizado
de cargas opuestas, se atraen y, una vez que se conectan, aportan
al rayo el canal eléctrico para su conducción a la
tierra. Los captadores emplazados sobre una estructura no
aumentan sustancialmente la probabilidad de impacto del rayo
sobre la misma, sino que constituyen un punto preferido para
impacto al convertirse en un sitio con mayor probabilidad de
ocurrencia. Una vez que el rayo se conecta con el captador, es
más fácil controlar su corriente y dirigirla a la
tierra; de lo contrario, tomaría una trayectoria
aleatoria, no controlada y normalmente dañina a
través de otras partes de la estructura.

Actualmente existen varios tipos de captadores
normalizados: los de tipo Franklin (puntas y mallas) y los de
tipo PDC (pararrayos de dispositivo de cebado).

Los captadores activados eléctricamente producen
un efecto Corona adicional más temprano que el inducido
por un líder que se aproxima. Si el efecto Corona puede
producirse mediante el cebado del captador de manera anticipada
provocado por un líder descendente que se aproxima,
entonces el líder ascendente de respuesta podría
también producirse más temprano, permitiendo el
tiempo para su propagación a mayor distancia, aumentando
así el área de influencia del PDC.

El captador PDC tiene un dispositivo electrónico
que utiliza el potencial eléctrico ambiental para
almacenar energía y emitir desde su punta subsiguientes
impulsos de alta frecuencia antes de que se produzcan los
trazadores inducidos por el campo eléctrico del
líder descendente que se aproxima desde la nube de
tormenta, creando de esta manera, un canal prioritario para la
descarga del rayo, conocido como trazador ascendente. Debido a
esto, se garantiza que el punto de impacto estará a una
altura mayor que en un sistema pasivo, lo que incrementa el radio
de protección y se le atribuye una mejor probabilidad de
conexión del canal de rayo con el sistema de
protección.

Se han descrito experimentos en los cuales se ha
caracterizado el comportamiento del terminal PDC. Se le aplica
una tensión impulsiva negativa de frente lento a un plato
suspendido sobre una varilla vertical para simular la
elevación del campo eléctrico que sería
provocada por una descarga líder que se aproxima desde la
nube. Se aplica además, de manera independiente, a la
varilla un impulso de tensión auxiliar positivo con forma
de onda 1/30 &µs de suficiente amplitud para producir
el efecto Corona en tiempos variables controlados durante la
elevación del campo de frente lento. Se han registrado las
influencias de este impulso en el efecto corona producido en la
varilla por el impulso negativo en el plato, en la tensión
de ruptura del espacio y en los tiempo para la ruptura. Las
conclusiones generales sacadas son que el efecto Corona auxiliar
tiene efectos insignificantes en la ruptura cuanto se aplica
durante la fase de trazador, pero que su influencia crece cuando
es aplicado después que se ha iniciado el líder por
el campo ambiental.

Los resultados obtenidos en experimentos de campo
demuestran que la ionización del aire
alrededor de la punta de los captadores puede mejorar su
efectividad, donde se ha constatado que los sistemas PDC
interceptan más descargas de rayo que los
Franklin.

2. Limitaciones
de los métodos y sistemas de protección contra el
rayo

Como es bien sabido, el primero en concebir y aplicar
este principio fue Benjamin Franklin, a mediados del siglo XVIII.
Su "invento" se extendió rápidamente y con muy
buenos resultados, pero desde los inicios se planteó la
pregunta, que resultaría ser muy difícil de
responder, de cuál era en realidad el área o el
volumen protegido por cada una de esas puntas metálicas
conectadas a tierra. Se estimó en principio un cono, con
vértice en el pararrayos y radio de protección
igual a la altura. Pronto se vieron los primeros fallos de este
modelo, con rayos que impactaban en zonas teóricamente
protegidas. El método del cono ha sido criticado desde sus
comienzos, y sin embargo se sigue aceptando como método de
protección.

"Nuestros resultados indican que en vista de la
influencia dominante de la magnitud del rayo en la eficacia de un
mástil alto como protector contra el rayo, el concepto de
"cono de protección" que define la eficacia de la
protección contra el rayo según la altura del
mástil no tiene sentido físico" [1]

"El método del ángulo de protección
conlleva difíciles problemas de aplicación en
tejados planos" [2]

"…los ángulos de protección llevan
a conos de protección excesivamente optimistas para
objetos cercanos al terminal aéreo (alrededor del 10% del
radio de la esfera correspondiente) y excesivamente rigurosos
para objetos más lejanos" [3]

Desde entonces se ha avanzado mucho en cuanto a los
estudios de cómo se forma y evoluciona el rayo, aunque es
un fenómeno muy complejo que todavía presenta
numerosas incógnitas e incertidumbres. Estos conocimientos
se han aplicado a las técnicas de protección,
aunque siempre de forma simplificada. Así, el
método que se utiliza actualmente en las normativas es el
modelo electrogeométrico o método de la esfera
rodante, basado en la evolución del rayo pero que no tiene
en cuenta cuestiones básicas como la concentración
de cargas, los materiales de la estructura o la influencia de
otros puntos de impacto, tal como queda reflejado claramente en
los textos de numerosos autores:

"La forma o la composición del objeto sobre el
suelo no se tiene en cuenta en absoluto en el modelo
electrogeométrico "[2].

"La esfera rodante puede utilizarse únicamente
para la construcción en la práctica, pero no es
aplicable como expresión cuantitativa del efecto protector
de los terminales aéreos. No puede ser la base de estudios
científicos." [3]

"…la validación del método de la
esfera rodante se basa en la validación del modelo
electrogeométrico simplificado para las líneas de
transmisión, pero no hay teorías o estudios
documentados con datos de campo para validar su aplicación
a edificios u otras estructuras" [3]

Actualmente se utilizan puntas simples de
diferentes características, conductores y pararrayos con
dispositivo de cebado (PDC). Para su posicionamiento se utilizan
diferentes métodos. El método del cono de
protección ha evolucionado hasta ser similar al de la
esfera rodante.

También se sigue dando como válido el
método de las mallas, a pesar de no tener sentido
físico y estar en contradicción con la esfera
rodante:

"Las normas para las mallas captadoras no están
basadas en la teoría de la esfera rodante sino en la
experiencia práctica". [4]

"Esta construcción (el método de las
mallas) ha sido verificada por una larga experiencia, sin ninguna
investigación teórica ni experimental."
[2]

"Al aplicar el método de la esfera ficticia a una
protección de tipo mallas se ve que un rayo puede caer
dentro de una malla, sin embargo, este tipo de protección
está considerado como uno de los más fiables. "
[2]

Para el posicionamiento de los PDC se utiliza el
método de la esfera rodante aunque teniendo en cuenta el
avance en el cebado del pararrayos, esto es, los efectos
físicos del cabezal sobre las cargas. Existen
también numerosos escritos que cuestionan la zona
protegida por estos pararrayos:

"La ventaja del avance en el cebado traducido en radio
de protección como se indica en la norma NF C
17-102 no está demostrada"[2] .

"Lo que se les reprocha a los PDCs es un exceso de
confianza en términos de volumen de protección y no
que sean inadecuados desde un punto de vista
físico"[2]

A pesar de todo lo dicho, estos son los métodos
que se utilizan en las normativas existentes y que están
comúnmente aceptados como correctos para la
instalación de los sistemas de protección contra el
rayo.

3.
Validación científica de los sistemas utilizados en
el mundo.

Las características de los captadores de rayo han
estado sometidas por mucho tiempo a discusión. No existe
hasta la fecha un laboratorio de ensayos que pueda reproducir
completamente el fenómeno del rayo. Esto es aplicable
tanto para los captadores del tipo Franklin como los del tipo
PDC. Los primeros, que se han utilizado por más de dos
siglos, aún no disponen de resultados publicados de
ensayos de campo donde se haya determinado el radio de captura o
eficiencia de intercepción de una punta a una altura dada.
Por otro lado, en los ensayos de campo realizados con descargas
naturales no se ha recibido la suficiente cantidad de descargas
de rayo para ser consideradas estadísticamente
aceptables.

En los últimos años han sido publicados en
EUA y Europa varios informes que cuestionan las bases
científicas de los captadores:

"Es lamentable que la eficiencia de un captador PDC no
puede ser demostrada en relación con el radio de
protección; pero tampoco es posible, con los conocimientos
disponibles en la actualidad, demostrar la eficiencia de una
punta simple o cualquier otro elemento de
protección"

Para la validación científica
de los SPCR normalizados que se utilizan en el mundo, tanto para
los tipos Franklin como PDC, se ha realizado un estudio
empírico sobre la efectividad de los mismos. Esta se
logrado, fundamentalmente, por la notoria ausencia de incidentes
o de reclamaciones por daños importantes, especialmente
cuando se compara con:

· La inmensa cantidad de
daños ocurridos en edificios no protegidos.

· La gran cantidad de impactos de rayo esperada
en edificios protegidos durante los años acumulados de sus
sistemas de protección. Si estos impactos de rayo
esperados no hubieran sido interceptados por sus sistemas de
protección hubieran ocurrido decenas de miles de
incidentes.

En sus conclusiones, todos los informes resultantes de
dichos estudios coinciden al apuntar que ninguno de los sistemas
y métodos usados tienen una base científica
completamente probada y consolidada. A pesar de esto, la enorme
experiencia acumulada sobre todos los tipos de SPCR, instalados
de acuerdo con sus respectivas normas, demuestran ampliamente su
utilidad. Por lo tanto, su instalación es necesaria, a
pesar de las faltas que pudieran existir en las bases, aunque la
intercepción podría ser considerada con más
cuidado conforme a las nuevas estadísticas de los
parámetros del rayo.

De modo similar se ha procedido para los sistemas de
protección contra rayos con PDC de fabricantes europeos
instalados en todo el mundo de acuerdo con las normas nacionales
aplicables para este tipo de SPCR.

Con este objetivo, se tomaron en cuenta los siguientes
datos:

· Estadísticas europeas sobre
la cantidad y años de servicio de los PDC fabricados
en Europa.

· Tipo de edificio de dimensiones
medias y valor medio de Ng a nivel mundial.

· Cantidad de descargas de rayos que los
captadores interceptarían si actuaran como una punta
simple.

· Cantidad de descargas de rayos que se esperaban
impactasen en los edificios y estructuras protegidos. Los
cálculos fueron realizados de acuerdo con la
evaluación de riesgos de IEC/EN 62305-2, así como
las normas nacionales de PDC.

· Cantidad de fallos tolerables para
los diferentes niveles de protección bajo las regulaciones
antes mencionadas.

El estudio realizado en Europa muestra que durante los 4
652 600 años de servicio acumulados por estos 550 000 SPCR
con PDC, se esperaban 174 473 descargas de rayo en las
instalaciones protegidas. De acuerdo con los datos disponibles,
la valoración de incidentes en las referidas instalaciones
es despreciable: muy pequeña cantidad, insignificantes
daños materiales y no personal injuries. Es muy importante
destacar que la cantidad de estos escasos incidentes es menor que
un orden de magnitud con respecto al nivel más restrictivo
aceptado por las reglas establecidas. [5]

Además, este trabajo brinda un interesante
análisis de las áreas de protección contra
rayos de los PDC cuando se compara con las áreas de
protección obtenidas con puntas simples. El resultado de
esta comparación indica que en el segundo caso más
de 165 000 descargas de rayo podrían no haber
sido interceptadas, consecuentemente podrían haber causado
daños en las estructuras protegidas y, por
tanto, existir miles de reclamaciones. Obviamente, no es el
caso.

En conclusión, se describen 25 años de
segura y efectiva experiencia de protección contra rayos
con los PDC, demostrada por los años de servicio
acumulados en las unidades instaladas mundialmente, muchas de
estas en países con las más altas incidencias
anuales de rayo. Por otro lado, las normas europeas de PDC
también han demostrado ser seguras, efectivas,
prácticas y útiles.

Actualmente se emplean diferentes normas, captadores de
rayo y métodos de posicionamiento para el diseño de
los SPCR. Pero al tratarse de normas prescriptivas, no poseen una
manera estructurada para la evaluación continua del
comportamiento de los SPCR. Además, las eficiencias de los
SPCR se basan en datos extrapolados, por lo que hay una falta de
la información experimental sobre todos los
parámetros que afectan a los SPCR instalados en
estructuras reales bajo diferentes circunstancias
ambientales.

Con todo este conocimiento, el grupo de CENELEC para la
protección contra rayos (CLC/TC 81X)
solicitó en 2010 por medio del Buró Técnico
(BT) "revisar la posibilidad de establecer una norma pura de
comportamiento, independiente de cualquier tecnología,
permitir el desarrollo de las tecnologías de sistemas de
protección contra rayo existentes y futuras" y como
consecuencia de ello, actualmente hay en versión de
borrador un nuevo proyecto de norma (prEN50622).

El objetivo de este proyecto es el monitoreo continuo de
muchos SPCR con diferentes particularidades, como latitud,
altitud, clima o ambiente y evaluar estadísticamente su
comportamiento.

Un trabajo similar se realizó en Cuba hace pocos
años para la recopilación de información y
tratamiento estadístico sobre los tipos, cantidades
instaladas y comportamiento real de captadores de rayo por parte
de la Agencia Cubana de protección contra Incendios
(APCI). Las actividades relacionadas con la protección
contra el rayo están singularmente bien organizadas,
reguladas y auditadas por esta institución también
se dedica a la capacitación de los técnicos
especializados en protección contra el rayo, así
como a la certificación de los proyectos y las
instalaciones de protección contra el rayo.

El estudio abarca un período de 14 años,
desde octubre de 1997 hasta octubre de 2011. La fecha de inicio
estuvo marcada por el momento en que la Agencia de
Protección contra Incendios de Cuba (APCI) comenzó
a realizar la certificación de estos productos y sus
instalaciones. Los datos ofrecidos en el presente documento no
son exactos, pues -por un lado- algunas de las fuentes
consultadas no disponen de estadísticas completas y
actualizadas y, -por otro- se realizan montajes de sistemas por
parte de entidades pertenecientes a los órganos de la
defensa del país cuya información no es
pública. En consecuencia, las cifras reflejadas
constituyen una estimación realizada a partir de los
registros de las diferentes dependencias territoriales de la
agencia para la certificación de los documentos de
proyecto ejecutivo y de los sistemas instalados reportados por
las empresas especializadas más importantes del
país. [7]

El trabajo muestra que durante los 65 000 años de
servicio acumulados aproximadamente por estos 6940 SPCR con PDC,
se esperaban 3550 descargas de rayo en las instalaciones
protegidas.

Los efectos fisiológicos del rayo constituyen la
primera causa de muerte en Cuba asociada a fenómenos
naturales. La razón de fallo de los sistemas externos de
protección contra rayos determinada a partir de las
reclamaciones por daños físicos a las estructuras y
lesiones reportadas a las personas es muy baja (inferior a 1 %) y
cuando se han investigado las causas de tales incidentes, se ha
constatado que han sido atribuibles fundamentalmente
a:

· Defectos de diseño (zonas del edificio
no cubiertas por el sistema de protección contra rayos o
reformas de ampliación de la estructura protegida sin la
modificación correspondiente del sistema de
protección)

· Falta de mantenimiento de los sistemas de
protección contra rayos a sistemas con muchos años
de servicio.

· Conducta personal inapropiada en
las proximidades de los sistemas.

· Insuficientes medidas de protección
contra rayos (inexistencia de dispositivos de protección
contra sobretensiones)

Teniendo en cuenta que existen miles de instalaciones de
protección contra rayo repartidas por todo nuestro
país, el valor medio nacional de días de tormenta
al año es de 80 y el valor promedio anual de muertes a
causa de los efectos del rayo en los últimos 20
años es de 65, puede plantearse que el comportamiento de
las mismas ha sido satisfactorio pues los incidentes han sido
ajenos a las tecnologías de captadores empleadas y, en
cualquier caso, estadísticamente no
significativos.

La amplia experiencia existente en Cuba y a nivel
mundial sobre el comportamiento de los PDC, basada los datos
estadísticos colectados en una cantidad significativa de
edificaciones protegidas con esta tecnología durante un
período de tiempo considerable, demuestran la efectividad
de la protección que se consigue con este tipo de
dispositivo captador.

4.
Normalización internacional de los sistemas de
protección contra el rayo.

Como es bien conocido existen dos tipos de sistemas de
protección contra el rayo que disponen de una larga
experiencia de utilización con resultados satisfactorios
regulados por una normativa específica: los denominados
sistemas convencionales, pasivos tipo Franklin y los llamados
sistemas activos o PDC.

Normas vigentes relativas a los sistemas externos
convencionales:

· Internacional: Serie IEC 62305 y
su homóloga CENELEC EN 62305 2da.
edición

· Nacionales más relevantes
no basadas en IEC:

– EEUU: NFPA 780

– Australia: AS/NZ S 1768:2007

– Canadá: CAN7CSA B72-M87

Normas vigentes relativas a sistemas externos activos o
PDC:

· España: UNE 21186 2ª
edición

· Francia NFC 17.102 2ª
edición

· Portugal : NP 4426

· Argentina: IRAM 2426

· Eslovaquia STN 34 1391

· Rumania I-20

· Macedonia MKS N.B4 810

Otros reglamentos de obligado cumplimiento:

· España: Código Técnico de
la Edificación (apartado SU8: Seguridad frente a la
acción del rayo) – Obligado cumplimiento en
edificios nuevos y reformas. Incluye sistemas activos y
pasivos.

· Francia: Arrêté du 15/01/08
relatif à la protection contre la foudre de certaines
installations classées

Proyectos de normalización más relevantes
en marcha:

· pr EN 550622 Lightning Protection Systems Pure
Performance Standard: proyecto de norma europea, en fase borrador
con comentarios, que pretende establecer una norma de
validación de sistemas de protección contra el
rayo, independiente de cualquier tecnología, no solo
existente, sino futura.

5.
Normalización en Cuba de los sistemas de protección
contra el rayo.

A mediados de la década del 90 del pasado siglo,
con el auge del comercio entre Cuba y los países europeos,
los captadores PDC comenzaron a invadir el mercado y a emplazarse
en las cubiertas de muchísimas estructuras y edificaciones
del territorio nacional.

Por aquel entonces, existía la norma nacional de
protección contra rayos NC 96-02-09: Protección
contra Descargas Eléctricas Atmosféricas de 1987,
elaborada por el CTN 13 de Protección Contra Incendios.
Esta no se encontraba al nivel de actualización de las
normas internacionales sobre el tema. En 2003 el CNT 64 de
Protección Contra Rayos perteneciente al Comité
Electrotécnico Cubano (CEC) de conjunto con la Oficina de
Nacional de Normalización (ONN) aprobaron la Parte 1 de NC
IEC 61024, en un intento por enmendar esta deficiencia. Como la
norma original, publicada por IEC en 1990, estaba en proceso de
revisión, se decide no continuar con la aprobación
de las restantes partes hasta tanto no saliera a la luz
pública la nueva. Al no existir la reglamentación
necesaria para los trabajos relacionados en la protección
contra rayos, la APCI decidió tomar parte en el asunto con
la homologación de los captadores de tipo PDC debido a la
relación de los mismos con la protección contra
incendios. Esto serviría para regular la
comercialización y uso en el país de aquellos
dispositivos que cumplieran con las exigencias de calidad
establecidas, que procedieran de fabricantes reconocidos y que
contaban con los ensayos de laboratorios
correspondientes.

A finales del año 2006, el CEC y la adoptan como
norma cubana para la protección contra rayos la NC IEC
62035. Esta es la única norma sobre la especialidad
aprobada hasta el día de hoy. Sin embargo, existe ninguna
norma cubana de PDC a pesar de ser el sistema mayoritariamente
empleado en el país.

La Agencia de Protección contra Incendios (APCI)
tiene establecido un sistema de homologación para PDC
atendiendo al cumplimiento del protocolo de ensayos de
laboratorio establecidos en las correspondientes
normas, principalmente norma UNE 21.186 y su
equivalente NFC 17 102. Así mismo, la
instalación de estos sistemas se certifica bajo
cumplimiento de las normas de instalación antes
citadas.

6. Elementos a
considerar en la selección del SPCR.

Varios han sido los criterios utilizados para evaluar
unos y otros tipos de SPCR. Sin embargo, se considera pertinente
citar algunos aspectos raramente tratados, pero que son cruciales
para ayudar a los usuarios de los SPCR en la toma de
decisión sobre cuál tecnología de captura de
rayo emplear en su instalación.

Coste de materiales

Los SPCR que emplean captadores tipo Franklin requieren
usar una gran cantidad de elementos metálicos,
generalmente fabricados de cobre, por lo que el coste por
concepto de materiales es mayor. Los SPCR que emplean PDC
requieren mucha menor cantidad de elementos metálicos.
Aunque el coste del captador es superior, el coste total del
sistema resulta inferior.

Complejidad de montaje

En los sistemas con captadores Franklin se requiere del
montaje de múltiples elementos como son: los propios
captadores, soportes, conductores de interconexiones, uniones
mecánicas, fijaciones, etc. Sin embargo, en los sistemas
con PDC se utiliza menor cantidad de elementos, por lo que el
montaje resulta mucho más sencillo y consume menor
tiempo.

Dificultad del diseño

Aunque el método electrogeométrico de la
esfera rodante es uno de los más exactos que actualmente
se conoce para el diseño del sistema de
intercepción del rayo con captadores de tipo Franklin, su
aplicación del resulta muy engorrosa cuando se trata de
edificios con una arquitectura compleja. Por el contrario, cuando
el sistema exterior de protección contra rayos emplea los
tipo PDC, el radio de protección resulta relativamente
fácil de determinar a partir de la tabla o ecuación
características jugando con los parámetros de
altura del captador, tiempo de avance del cebado del modelo
seleccionado y nivel de protección contra rayos asignado
al sistema.

Complejidad del mantenimiento

Aunque las respectivas normas de captadores tipo
Franklin y PDC coinciden en la frecuencia con que deben
realizarse las inspecciones y mantenimientos, los primeros
necesitan mayor cantidad de acciones de esta índole
(apriete de las uniones mecánicas, firmeza de las
sujeciones, medición de la continuidad eléctrica,
estado de corrosión de las partes, etc.) por el hecho de
utilizar mucha mayor cantidad de elementos que los
segundos.

De todo lo anterior, pudiera pensarse que los
propietarios o administraciones de edificios pertenecientes a
entidades, organizaciones o países que no dispongan de
grandes cantidades de recursos financieros preferirán
proteger sus instalaciones contra las descargas directas de rayos
a un menor coste, o sea, con PDC.

7.
Conclusiones

Se han repasado las principales carencias que se le
reprochan a los diferentes métodos de protección
contra el rayo que se utilizan en diversas normativas. Se ha
puntualizado también sobre el hecho de que, a pesar de
esas insuficiencias, los sistemas de protección contra el
rayo diseñados e instalados según esas normativas
han resultado ser eficaces en todos los estudios que se han
hecho, y que incluso se ha argumentado que la escasez de estos
estudios se debía a la falta de reclamaciones por parte de
los usuarios, esto es, a su satisfacción con los sistemas
de protección instalados.

No existe hasta la fecha una norma internacional de
protección contra el rayo para captadores PDC; aunque
sí una cantidad considerable de países que disponen
de normas nacionales que regulan el uso de esta
tecnología. Estas normas han coexistido en el pasado con
IEC 1024, IEC 61024 y coexisten actualmente con la
62305 tanto de la IEC como de CENELEC.

En nuestro país la eficacia de los PDC se ha
demostrado empíricamente con claridad, ya que se trata de
un país con una densidad de rayos altísima donde
existen miles de sistemas de protección contra el rayo
controladas de forma sistemática por la APCI. Sin embargo,
la única normativa que existe en Cuba trata
únicamente de los sistemas de protección
convencionales, esto es con mallas y puntas, cuando la gran
mayoría (alrededor del 90%) de las instalaciones
están realizadas con pararrayos con dispositivo de
cebado.

Se precisa una normativa nacional que regule los
sistemas de protección de PDC para unificar los criterios
de diseño, instalación y verificación, o
bien una norma global que tenga en cuenta todos los aspectos de
la protección contra el rayo. Por tanto, sería
pertinente que el CEC y la ONN se proyectasen a este
respecto.

8.
Bibliografía

[1] Horváth, T. "Standardization on
lightning protection. Based on the physics or on the tradition?
ICLP2002.

[2] INERIS, Le risque foudre et les
installation classe pour la protection de l"environnement.
Septembre 2001.

[3] Horváth, T. "Rolling Sphere –
Theory and application". ICLP2000. p. 301-305.

[4] IEC 81/223A/CC. Compilation of comments
on 81/214/CD. Observations of the
Secretariat.

[5] Pomar, V.; Polo, S; Faveaux, S.;
Llovera, P: "Efectiveness of worldwide existing PDC
lightning protection systems manufactured in Europe", ILPS
2011

[6] Ruiz, D ; Polo, S ; Pomar, V ; Pomar, C
. "Lightning Protection: Basis & Praxis", ILPS 2011 [7]
Amores, F. "Experiencia en Cuba sobre el comportamiento de los
captadores de rayo", APCI 2011.

Autor:

Ing. Frank Amores
Sánchez

Especialista Técnico-Comercial,
APLICACIONES TECNOLÓGICAS, S. A.

TALLER DE TECNOLOGÍAS DE
PROTECCIÓN CONTRA RAYOS. ATSA-CIPEL

Hotel Meliá Habana, 27 y 28 de marzo
de 2014.