El rayo es uno de esos fenómenos naturales que destaca por su evidente violencia y el poder destructivo que se le atribuye. El rayo, a la vez que nos fascina, también nos asusta. Los considerables daños que causan tanto a nivel humano como a nivel material, demuestran claramente que se basa en un fenómeno muy real y que solo se pueden hacer modestos intentos de controlar sus efectos y/o sus consecuencias.
Es un peligro que debe tenerse en cuenta en todo tipo de instalaciones, así como en los equipos eléctricos. Un buen conocimiento de este fenómeno natural y sus efectos es esencial para evaluar el riesgo y elegir los mejores métodos de protección.
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Índice
1.Definición del Rayo
Podemos definir el rayo como una descarga eléctrica natural muy poderosa de electricidad estática, que genera un pulso electromagnético (PEM), producido durante una tormenta eléctrica.
*Electricidad Estática: acumulación de un exceso de carga eléctrica en un material conductor o aislante. Esta carga eléctrica puede ser positiva o negativa.
- Características Físicas de la formación e impacto del rayo
Esta descarga eléctrica está acompañada por la emisión de luz (relámpago) y por sonido (trueno), éste último desarrollado por la onda de choque.
Los relámpagos son visibles como un destello de luz azul-blanca. Las temperaturas extremadamente altas generadas calientan las moléculas de aire hasta un estado de incandescencia, de tal manera que emiten una luz blanca intensa. Al mismo tiempo, el gas nitrógeno (el gas dominante en la atmósfera) es estimulado a la luminiscencia, produciendo un blanco azulado brillante. La combinación de la luz de la luminiscencia y la incandescencia da al rayo su color característico.
Las condiciones necesarias para que se produzca un rayo, son la formación y separación de las cargas eléctricas positivas y negativas dentro de la atmósfera, lo que crea el campo eléctrico altamente intensivo necesario para soportar esta descarga de chispa natural que es el relámpago.
La formación de cargas eléctricas en la atmósfera se debe principalmente a la ionización de las moléculas de aire por los rayos cósmicos. Los rayos cósmicos son partículas de alta energía como los protones que se originan fuera del sistema solar. Al colisionar con las moléculas de aire, producen una lluvia de partículas más ligeras, algunas de las cuales están cargadas.
Dentro de una nube, el rápido movimiento ascendente y descendente de las gotas de agua y los cristales de hielo, puede separar y concentrar estas cargas. Las cargas negativas se acumulan en la parte inferior de la nube y las cargas positivas hacia la parte superior.
2. ¿Hay Diferentes Tipos de Rayos?
Los rayos, en función de la dirección de su trazo, pueden ocurrir de una nube a otra, dispararse de una nube a tierra o viceversa.
2.1- Rayos de Nube a Tierra
Los tipos de rayos de nube a tierra incluyen:
- El rayo staccato es una descarga de corta duración, que aparece como un solo destello muy brillante, y suele tener considerables ramificaciones.
- El rayo bifurcado es aquel que se produce de nube a tierra, exhibiendo ramificaciones en su trayectoria. Es muy similar al anterior, lo que lo hace diferente es su mayor duración.
- El rayo perla parece romperse en una cadena de secciones cortas y brillantes, y su duración es mayor que una descarga habitual. Es tipo de rayo es relativamente raro.
2.2- Rayos de Nube a Nube
Es un tipo de descarga que puede producirse entre zonas de nubes que no están en contacto con el suelo. Estas descargas pueden ser:
- Rayo inter-nube: es aquel que ocurre entre dos nubes separadas.
- Rayo intra-nube: es aquel que se produce en una sola nube, entre zonas de diferente potencial eléctrico. (Este tipo es el que ocurre con más frecuencia).
2.3- Rayos de Tierra a Nube
Este tipo de descarga es mucho más excepcional que las de nube a tierra, siendo un trazo inicial ascendente producido desde la tierra hacia una nube cumulonimbus. Los iones cargados negativamente se encuentran con los cargados positivamente en este tipo de nube que hemos comentado, de esta manera, el rayo vuelve a tierra como trazo. Este tipo de rayos se suelen producir en torres altas y rascacielos.
3. Efectos de los Rayos
Los efectos del rayo son los de una corriente de impulso de alta intensidad que se propaga inicialmente en un medio gaseoso (la atmósfera), y luego en un medio sólido más o menos conductor (el suelo).
3.1-Clasificación de Efectos
- Efectos visuales (flash): causados por el mecanismo de avalancha de Townsend. La descarga de Townsend es un proceso de ionización de un gas, en el cual los electrones libres son acelerados por un campo eléctrico suficientemente fuerte, aumentando la conductividad eléctrica a través del gas causado por la ionización de moléculas.
- Efectos acústicos: causados por la propagación de una onda de choque (aumento de la presión) que se origina en el trayecto de descarga; este efecto es perceptible hasta un alcance de unos 10 km.
- Efecto térmico: calor generado por el efecto Joule en el canal ionizado.
- Efectos electrodinámicos: son las fuerzas mecánicas aplicadas a los conductores situados en un campo magnético creado por la circulación de alto voltaje. Pueden dar lugar a deformaciones.
- Efectos electro químicos: estos efectos relativamente menores, consisten en la forma de descomposición electrolítica de acuerdo con la ley de Faraday.
- Efectos de inducción: en un campo electromagnético variable, cada conductor se convierte en el asiento de una corriente inducida.
- Efectos sobre un ser vivo (humano o animal): el paso de una corriente transitoria de cierto valor r.m.s. (valor cuadrático medio), es suficiente para incurrir en riesgos de electrocución por ataque cardíaco o insuficiencia respiratoria, junto con el riesgo de quemaduras.
4. Efectos Derivados del Impacto de Rayo en Estructuras
4.1-Efectos Directos
En el punto del golpe, el rayo genera:
- Efectos térmicos directos (fusión, fuego) causados por el arco eléctrico.
- Los efectos térmicos y electrodinámicos inducidos por la circulación de la corriente del rayo.
- Efectos de la explosión (onda de choque y aire de explosión) producidos por el calor y la expansión del aire.
La protección contra los efectos directos del rayo se basa en la captación de la corriente y su descarga a tierra (pararrayos, pararrayos receptores, etc.).
4.2-Efectos Indirectos (sobretensiones de la red)
Las sobretensiones debidas a los rayos pueden llegar a la instalación por tres vías de acceso:
- Por conducción tras la caída directa del rayo en las líneas (energía, telecomunicaciones, TV, etc.) que entran o salen de los edificios.
- Mediante la retroalimentación de la tierra a través del sistema de puesta a tierra, los conductores de protección y las partes conductoras expuestas del equipo.
- Por inducción en los elementos conductores de la instalación (estructura del edificio, etc.) y en las líneas internas (energía, telecomunicaciones, etc.).
Chip quemado de un Giroscopio por el impacto de un rayo
Los efectos del alumbrado pueden sentirse por inducción en un radio de 1 km, y por conducción (retroalimentación de la tierra y golpes en las líneas) en un radio de más de 10 km.
Si quieres conocer más a fondo el giroscopio y otros sistemas para la estabilización del buque, te recomendamos el siguiente artículo: Estabilizadores del buque
5. Efectos en los Buques
Un dato fundamental sobre los rayos es que se ven atraídos por los objetos altos, por lo que los barcos, son focos de los rayos que caen al agua ya que, navegando, lo más probable es que el barco sea lo más alto que se encuentre en el mar. Cuando un rayo alcanza un barco los daños producidos pueden ser muy graves.
Es este caso debemos concentrar los esfuerzos en minimizar las consecuencias del impacto del rayo, o disponer de dispositivos que eviten el alcance.
El impacto de un rayo puede afectar a los equipos electrónicos del buque, ya que son los más vulnerables en estos casos, inhabilitándolos. Estos impactos se producen tanto en altamar y como en puerto. En este último caso, además del riesgo por impacto directo, existe un riesgo importante de efectos indirectos por impactos de rayos en zonas cercanas al puerto. El problema es que los barcos se unen a la alimentación del puerto y, entonces sí hay un impacto de rayo, pueden tener efectos indirectos. Para dar soluciones a este problema, se instalan las protecciones contra sobretensiones, como son los filtros galvánicos y los dinfil.
El impacto de un rayo puede acarrear unas consecuencias importantes que comprometa la seguridad del buque y de su tripulación. Navegar en medio de una tormenta eléctrica es algo que debemos siempre intentar evitar. Estudiar bien la predicción meteorológica antes de salir a navegar es de vital importancia.
Muchas veces cruzamos tormentas o nos vemos sorprendidos por alguna cuando estamos en puerto. Es entonces cuando estos rayos pueden impactar en los propios barcos. Todos deben están preparados para desviar la peligrosa descarga eléctrica. Lo ideal es equipar al buque de un sistema de protección adecuado contra las descargas atmosféricas directas o indirectas.
Los daños del impacto de un rayo en un buque, que no disponga de estos dispositivos, pueden ser de dimensiones catastróficas, ya no solo por los daños físicos producidos del impacto, sino por los daños derivados de las consecuencias del impacto, que pueden derivar en parada técnica del buque, con el consecuente daño producido a la fiabilidad, al ver afectada su producción por ser inmovilizado de inmediato.
Esto derivaría en una parada técnica no programada, este tipo de paradas están motivadas por la aparición de fallos repentinos de carácter grave, que necesitan de una intervención inmediata, y no pueden ser pospuestas hasta encontrar un momento idóneo para realizar la parada. Es obvio que estas son las paradas que más trastorno causan a la operatividad del buque.
Al ser un fallo repentino inesperado, no permite una programación exhaustiva, son intervenciones que se abordan con mucha incertidumbre e improvisación. Suelen acarrear unas consecuencias económicas importantes.
Un punto importante es que tras el impacto de un rayo, hay fallos que se detectan en el momento (placas dañadas, cableado quemado etc) y estas averías son cubiertas por el seguro del barco, pero hay otro tipo de fallos que se producen al tiempo de haberse producido el impacto del rayo, daños derivados que se detectan con el tiempo, y en este caso el demostrar ante el seguro que son averías producidos por la descarga es mucho más complicada y lo más probable es que no sean cubiertos.
6. Tecnologías de Protección contra el Impacto de Rayos
Actualmente podemos hacer tres tipos de distinciones en cuanto a sistemas de protección contra el impacto de rayos, sistemas activos, pasivos y sistemas DDCE.
6.1. Activo o pararrayos de Cebado
Un Sistema Captador Activo o Pararrayos de Cebado son sistemas que emiten un trazador ascendente continuo con un tiempo de avance, para anticiparse al descenso del rayo y captarlo antes que cualquier otro objeto dentro de su radio de protección. El tiempo de avance en el cebado determina el radio de protección del PDC: cuanto más se adelante su trazador ascendente, a mayor altura captura el trazador descendente del rayo. Esta teoría no se ha podido demostrar científicamente ni está aceptada por la normativa Europea e Internacional. El radio de cobertura aceptado para esto sistemas es el mismo que el de un sistema captador pasivo, de acuerdo a las normas UNE EN IEC 62305.
6.2. Pasivo o punta de Franklin
Un Sistema Captador Pasivo o punta Franklin, son sistemas cuyo principio de funcionamiento se basa en concentrar las cargas que son atraídas de tierra en su parte más predominante y así poder generar o emitir un trazador ascendente, con el objetivo de captar el trazador descendente del rayo y conseguir que el impacto de rayo se produzca en la punta. La distancia de impacto entre el trazador ascendente y el descendente se producirá cuando exista entre ambos una diferencia de potencial de unos 500 KV. Estos sistemas son aceptados por la norma UNE EN IEC 62305.
6.3. Sistemas DDCE o Compensadores de Campos Eléctricos Variables
Los sistemas DDCE o Compensadores de Campos Eléctricos Variables, son dispositivos Captadores Pasivos de corrientes electrostáticas en tiempo, que las deriva a tierra, cuyo principio de funcionamiento está basado en equilibrar o compensar el campo eléctrico variable existente en su entorno, evitando que se genere el trazador ascendente en el DDCE y en la estructura que se encuentra a su mismo potencial eléctrico, evitando el impacto directo del rayo. El DDCE empieza a compensar el campo eléctrico con potenciales entre los 10-12 KV y lo hace de forma continua hasta que desaparece el campo eléctrico, estando muy por debajo de los potenciales de 500 KV de los sistemas activos y pasivos convencionales. Cumple con las normativas de los sistemas captadores pasivos de acuerdo a las normas UNE EN IEC 62305.
7. Tecnologías de Protección contra el Impacto de Rayos en Buques
El DDCE es un Sistema de Protección contra Descargas Atmosféricas y Protector Electromagnético que evita el impacto del rayo sobre la estructura que protege.
EL DDCE es un Sistema Captador Pasivo de corrientes electrostáticas en tiempo, que las deriva a tierra, cuyo principio de funcionamiento está basado en equilibrar o compensar el campo eléctrico variable existente en su entorno, actuando como un sumidero continua de cargas de frecuencia variable, evitando que se genere el trazador ascendente en el DDCE y en la estructura que protege.
Gracias a su diseño se anula el campo eléctrico en las estructuras descargando la carga electrostática acumulada en el ambiente (eliminando la diferencia d
e potencial). Esto es, se debilita el campo eléctrico presente en corrientes que se fugan a la toma de tierra, evitando de esta manera los impactos de rayos en dichas estructuras.
Su función principal es equilibrar el campo eléctrico natural por medio de un condensador. Tanto su forma como sus materiales le aportan propiedades para poder trabajar con campos magnéticos, eléctricos y electromagnéticos de cualquier polaridad, tensiones y frecuencia.
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