Métodos de ubicación de los captadores de rayo

La ubicación de los captadores depende del modelo
físico usado para describir el comportamiento del rayo. El
desarrollo de estos modelos no se detenido en los últimos
250 años y tienen su base en las observaciones
físicas del rayo. Aunque los 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.

Los captadores están diseñados para
interceptar el rayo ofreciendo un punto de impacto preferido para
su descarga eléctrica. 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 estos
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 sobre esta, sino que brindan un punto preferido de
impacto al convertirse en un punto con mayor probabilidad de
impacto de rayo. 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.

MÉTODOS:

Los métodos se utilizan para identificar la
ubicación más adecuada de los
captadores, basada en el área de protección
brindada por cada uno de estos.

La norma NFPA 780 utiliza dos métodos de
ubicación:

1. "Ángulo de protección",
que es una construcción puramente
geométrica.

2. "Esfera rodante", que involucra
relaciones empíricas de la distancia de
impacto y la corriente pico del rayo y es parcialmente una
construcción geométrica.

La norma IEC 62305 además de los métodos
anteriormente citados, propone el uso del:

3. "Método de la malla"

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 través 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.

Posicionamiento del sistema de captura

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 considerarán las
dimensiones físicas reales de de los
captadores.

El volumen de protección mediante una punta
Franklin 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.

Volumen de protección de la
punta Franklin

Volumen de protección del hilo
tendido

Fig. 1 Volúmenes de
protección por el método del
ángulo.

El radio de protección
es:

r = tan a.h

donde:

a semiángulo de cono de
protección

h altura relativa del captador

Fig. 2 Gráfica para la
determinación del ángulo de
protección

Este método no es aplicable para alturas
relativas del captador por encima de los valores marcados (?). El
ángulo no varía para H inferiores a 2
m.

Se ha demostrado que la teoría en que se
fundamenta este método no es plenamente efectiva, por ello
en las últimas décadas se utiliza preferentemente
el concepto de la "esfera rodante". Este reduce
significativamente el "volumen protegido" y parecer ser que lo
describe con mayor exactitud, aunque tampoco es 100%
efectivo.

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.

Para un valor típico de corriente pico de 10 kA,
la distancia de impacto es aproximadamente 45 m. Esta es la
distancia a la cual un líder descendente produce la
iniciación de un líder ascendente desde la
estructura.

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. Como no son muy probables
valores de corriente entre 5 kA y 7 kA, generalmente se asume una
corriente de 10 kA que representa 91 % de todos los eventos de
rayo.

Además, puede verse que la esfera rodante
estándar de 45 m de radio, no es apropiada para
superficies planas. Usando el valor de tensión nominal de
ruptura del aire de 3 MV/m para las geometrías planas, la
ruptura será iniciada por un líder descendente de
3000 m de longitud cuando éste lleve una carga de
aproximadamente 12 C. Esta carga corresponde a una corriente pico
de retorno en el intervalo de 60 á 170 kA, dependiendo de
la relación carga-corriente utilizada. Por el contrario,
este valor de 45 m/10 kA es demasiado grande para los puntos que
tienen una iniciación del líder o probabilidad de
impacto muy alta.

La ventaja que se le adjudica al método de la
esfera rodante (RSM) es la facilidad de su aplicación.
Esto es cierto 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 de retorno 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. Esta
simplificación 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 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
100 m. Los radios más pequeños representan un
efecto de protección mayor que debe usarse en los casos de
mayor riesgo.

Posicionamiento del sistema de captura.

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 el sistema de captura.

Tabla 1 Valores mínimos de
la corriente del rayo y radios de la esfera rodante para cada
LPL, según IEC 62305.

Como puede verse el radio de la esfera rodante depende
del nivel de protección contra rayo (LPL) requerido para
la estructura en cuestión.

La norma NFPA 780 especifica radios de la esfera rodante
de 45 m (150 ft), para estructuras ordinarias, y de 30 m (100
ft), para estructuras con riego de incendio o explosión
especiales.

El radio de protección (r) es por tanto
igual a:

donde:

ds distancia de impacto =radio de la
esfera rodante R

h altura relativa del captador

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 estructuras con altura inferior a 60 m, esta
probabilidad de descargas laterales es despreciable y para altura
superior a 60 m, 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 la
estructura). 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.

Fig. 3 Posicionamiento del sistema
de captura utilizando el método de la esfera
rodante

Método de
la malla

Consiste en establecer una malla rectangular de
conductores.

El volumen protegido por conductores combinados en forma
de malla está definido por la combinación de los
volúmenes de protección que determinan los
conductores individuales que componen la malla.

Se considera que este es un método eficiente para
la protección superficies planas, o sea, de cubiertas
planas horizontales e inclinadas sin curvatura y las superficies
planas laterales contra descargas laterales.

Posicionamiento del sistema de captura.

Para su correcta ubicación deben satisfacerse las
siguientes condiciones:

a) Los conductores tienen que posicionarse por encima de
las líneas de bordes, de las proyecciones y de las
líneas de caballete de la cubierta, si la pendiente de la
misma excede 1/10. En este caso pueden usarse conductores
paralelos en lugar de la malla, si se garantiza que
la distancia entre los conductores no sea mayor que el ancho de
malla requerido.

b) Las dimensiones de la malla captadora no serán
mayores que los valores especificados para cada nivel de
protección contra rayo.

c) El sistema de captura se construye de manera tal que
la corriente del rayo siempre encuentre como mínimo dos
trayectos metálicos distintos hacia el sistema de puesta a
tierra.

d) No habrá instalaciones metálicas que
sobresalgan del volumen protegido por los sistemas
captadores.

Fig. 4 Posicionamiento del sistema
de captura utilizando el método de la malla

Modelos
recientes

Como los métodos de diseño de sistemas de
protección contra rayo actuales no son capaces de
diferenciar entre los puntos de la estructura con probabilidades
de iniciación del líder alta y baja, es necesario
de desarrollar un método con mayor fundamento
físico que tenga en cuenta este efecto. De esta manera,
podrán diseñarse sistemas de protección
contra rayo más confiables y eficaces.

Los estudios posteriores más importantes que han
evolucionado de modo certero hacia un método de
diseño con bases físicas son: el Modelo de
Progresión del Líder (Dellera
& Garbagnati 1990, Bernardi et al 1996) y la
Teoría de Inicio del Líder (Rizk
1989, 1990, 1994). Ambos fueron incluidos en el informe de
comité del CIGRE de 1997 sobre
intercepción del rayo. Este comité se dio a la
tarea de informar al IEC TC81 sobre la existencia de mejores
métodos de diseño de sistemas de protección
contra rayo, pero hasta ahora, ninguno ha sido incluido en la
norma IEC de protección contra rayo.

Método del
Volumen de Colección

Desarrollado por Ericsson 1989. Por el contrario al del
ángulo de protección, este
método basa sus parámetros de diseño
en la altura de la estructura, la intensificación del
campo eléctrico en las proyecciones de la estructura, la
carga del líder y las velocidades relativas de
propagación de los líderes que se interceptan. El
modelo puede desarrollarse para estructuras tridimensionales y
ofrece una aproximación bastante exacta de diseño
de sistema de protección.

Tabla 2 Probabilidad
estadística de que el líder descendente exceda la
corriente pico indicada

La figura ilustra un líder descendente que se
aproxima a un punto aislado en el terreno. Alrededor de ese punto
se establece una distancia de impacto semiesférica. El
radio depende de la carga en el extremo del líder y
corresponde a la distancia donde la intensidad del campo
eléctrico excede el valor crítico. O sea, la
intensidad de campo adecuada para lanzar un líder de
intercepción ascendente.

Fig. 5 Superficie esférica
con radio de Distancia de Impacto en el punto A

La distancia de impacto semiesférica revela que
los líderes descendentes con una carga eléctrica
débil se aproximan mucho más a un punto del terreno
antes de lograr las condiciones críticas para la
iniciación del líder ascendente. Mientras mayor es
la magnitud de la carga, mayor es la distancia entre el
líder y el punto del terreno a la cual se logran las
condiciones críticas. Con fines de diseño puede
seleccionarse un radio de la semiesfera que corresponda con el
nivel de protección deseado. Este método tiene en
cuenta las velocidades relativas de los líderes ascendente
y descendente. No todos los líderes que penetran a la
semiesfera progresarán hasta la intercepción. Los
líderes que entran a la parte exterior de la semiesfera
probablemente continuarán su movimiento descendente y
serán interceptados por un líder ascendente
diferente (emitido desde una estructura aledaña o una
prominencia del terreno). Esto lleva al desarrollo de una
parábola de limitación. El volumen que esta
encierra se conoce como Volumen de Colección. Si un
líder descendente entra a este volumen su
intercepción es segura. A continuación se muestra
cómo la parábola de velocidad limita las
dimensiones de dicho volumen.

Fig. 6 Volumen de Colección
formado por los sitios de igual probabilidad y la superficie
semiesférica de distancia de impacto

Fig. 7 Volúmenes de
colección para una estructura de 30 m, con diferentes
cargas del líder descendente y relaciones de
velocidad

El diseño con los volúmenes de
colección usando los parámetros estadísticos
del rayo proveerá a los diseñadores de un mejor
análisis de riesgo. Las magnitudes de estos
volúmenes se determinan de acuerdo con la corriente pico.
Es decir, si desea un Nivel de Protección Alto se
selecciona una corriente pico de 6,5 KA, pues el 98% de todos los
rayos exceden este valor. Las descargas de mayor magnitud
tendrán volúmenes de colección más
grandes que crean un mayor solapamiento del área de
captura de los terminales. Un diseño realizado para un
nivel alto no significa que los rayos con una magnitud menor que
esa no serán interceptados sino que, sencillamente, existe
la probabilidad de que alguno no pueda ser interceptado por un
líder ascendente que emana desde el interior del volumen
de colección.

El modelo del Volumen de Colección asume que
todos los puntos de la estructura son puntos potenciales de
impacto y como tal tienen volúmenes de colección
naturales.

Los bordes y esquinas exteriores en la parte más
alta de un edificio o estructura y especialmente sus partes
protuberantes son probablemente las que tengan campos
eléctricos locales más altos que en otros sitios, y
por tanto son los lugares probables para la iniciación de
los líderes ascendentes. Consecuentemente, los puntos de
impacto de rayo más probable en un edificio son los
bordes, esquinas y otros partes protuberantes en la vecindad del
líder descendente. Debido a esto, si los captadores
están ubicados en todos los sitios donde los campos
eléctricos son altos y son probables las iniciaciones del
líder, habrá una alta probabilidad de que la
descarga sea interceptada exitosamente. Estos campos no
serán tan altos en las superficies planas y
consecuentemente serán menos probables de ser
impactados.

Como los volúmenes de colección de los
captadores mejorados son mayores en la estructura se
requerirá menor cantidad de estos captadores. Estos tienen
que ubicarse de manera tal que sus volúmenes de
colección solapen los pequeños volúmenes de
colección naturales de las proyecciones de la
estructura.

Fig. 8 Concepto de diseño del
Volumen de Colección

REFERENCIAS:

? "Lightning". M. A. Uman, Dover
Publicatios, New York.

? "A review of the lightning attachment
process and requirements to achieve improved
modelling", J.R. Gumley and G. Berger.

? "Interception of a lightning stroke", C.
Menemenlis, University of Patras, Greece.

? "An analysis of advanced lightning
collection technology", M.M. Drabkin and R. B.
Carpenter.

? "A modern perspective on direct strike
lightning protection", F. D"Alessandro.

? NFPA-780 "Standard for the Installation
of Lightning Protection Systems" 2008 Edition,
publicado por NFPA, USA.

? IEC 62305: 2006 "Lightning
Protection"

Autor:

Ing. Frank Amores Sánchez

Especialista PCI, APCI.