EL PARARRAYOS TIPO IONOCAPTOR Y FRANKLIN

Este pararrayos es una evolución del radiactivo ICM780/585 del que se conserva los elementos de probada eficacia en todo el país y en extranjero. (Éste último pararrayos por su condición de radiactivo, se recomendó el retiro de los mismos por su peligrosidad) desde 1970, como el acelerador estático de partículas de dos etapas tipo Crompton Walton, que demostró ser el elemento dinámico que explica la eficacia del ionocaptor.

El desprestigio del pararrayos radioactivo por parte de asociaciones alemanas, norte americanas  y en nuestro país a través de la resolución n° 591 de la CNEA (comisión nacional de energía atómica), todo esto fue el detonante para empezar a desarrollar este nuevo pararrayos, que sustituye la producción de iones mediante el bombardeo de partículas alfa, producto de la desintegración atómica, por un emisor de múltiples puntas que actúa frente al fuerte campo eléctrico del rayo o la célula de tormenta. Este fenómeno ya había sido previsto por Franklin y comprobado por medio de un elegante experimento realizado por Schonland en 1905. Hoy en día no se ha hecho otra cosa que darle forma física, adaptándolo a los elementos ya conocidos y experimentados.

Dado que la punta del pararrayos se encuentra a potencial de tierra, atrae iones del signo contrario creando alrededor de este una atmósfera electropositiva. De esta  forma la rigidez dieléctrica del aire se deteriora, permitiendo que la corriente salte una fracción de segundo antes de lo que hubiera hecho si no hubiera existido ionización encontrando al piloto o «líder de pasos», que viene bajando desde la nube, a una distancia mayor, por lo que el área protegida se incrementa notablemente. ( vean los dibujos en la figura 1 ).

Este tipo de pararrayos posee un dispositivo acelerador de iones por una placa polarizada a tensión intermedia, como primera etapa y un aro acelerador enfocador polarizado a tensión de tierra como segunda etapa.

La placa base y el anillo constituyen un sistema estático que acelera los iones a velocidades del orden de los 2 a 3 km /seg, lo que favorece la ionización secundaria ( Towsend ) en las cercanías de la punta anulando el efecto de los vientos cruzados. En nuestro medio, la velocidad de los mas fuertes vientos no sobrepasa los 180 km/h., o sea 0.05 km/seg, insignificante frente a la velocidad de los iones.

Las tomas de tensión transmiten a la placa base una tensión intermedia del mismo signo que las partículas subsistentes y el anillo crea un campo electrostático cuyas líneas de fuerza imprimen una enorme aceleración a los iones. ( vean el dibujo de la figura 2).

Para incrementar la eficiencia del sistema se lo ha dotado de un espejo colimador consistente en una parábola con una distancia focal adecuada polarizada por los mismos elementos que energizan los emisores. La parábola, que carecía de sentido radioactivo, es muy importante para el buen funcionamiento del ionocaptor irónico.

Un rayo que se aproxima con 500 Mv en su canal produce cuando se halla a 500 m, un gradiente de 1.000.000 v/m. Las mismas tomas de tensión polarizan en ese momento la placa base con 500.000 volt electropositivo por lo que se rechazan los iones positivos, introduciéndolos en el campo del anillo que para un pararrayos situado a 20 m de altura, se halla polarizada a 20.000.000 V. Las superficies equipotenciales de este campo contornean todo objeto conectado a tierra siendo las líneas de fuerza del campo perpendiculares a las superficies equipotenciales. A medida que el rayo se acerca el gradiente de potencial se va incrementando en función inversa al cuadrado  de la distancia, hasta que supera el de 30 kv/cm de rigidez dieléctrica del aire, por lo que se produce la corriente de retorno que va en  busca del líder de pasos o piloto.

La instalación de un pararrayos no significa otra cosa que transformar un punto  en él más favorable de una determinada zona para que tal cosa ocurra. Para ello se lo ubica en el sitio mas alto, se le instala una punta lo más aguda posible a fin de lograr la mayor concentración de gradiente y se lo conecta a tierra para que esté a potencial cero.

 

PARARRAYOS TIPO FRANKLIN

Desde la invención del pararrayos efectuada por Franklin quedó planteada la cuestión del área protegida por el mismo.

Ya a fines del siglo pasado se habían intentado una serie de esquemas de protección que pueden observar en la figura 8. (Lodge 1892). Se consideraba que los objetos situados bajo la supuesta área de protección eran inmunes al rayo.

Hoy se sabe que los denominados rayos débiles no son capaces de disparar un pararrayos y con los estudios de Walter ( 1892 ), se llega a la conclusión de que no existe una zona protegida con absoluta certeza: es decir que el pararrayos de punta siempre deja un resto residual.

Dentro del cono de 45° , adoptado por nuestra norma IRAM , para protección normal, se estima una eficiencia del 92.5 % y dentro del cono de seguridad de 30° , ésta aumenta al 98.5%. Existen métodos para determinar áreas de protección más modernos, pero en el mejor de los casos nunca sobrepasan el 99.9% de efectividad.

Para efectuar una buena protección con pararrayos del tipo Franklin, deben tomarce en cuneta las siguientes consideraciones:

a)       Nunca se deben instalar los pararrayos Franklin en mástiles menores a 4 mts.

b)       Todas la estructuras metálicas situadas a distancias menores de 1.8 m, se deben unirá la bajada del pararrayos a fin de evitar las descargas laterales.

c)       Si existen dos pararrayos Franklin vecinos en la zona de protección, entre ellos se utiliza un ángulo de 60° (siempre que la distancia entre ambos sea menor o igual que 2 h, siendo h la altura del pararrayos) ya que, por influencia mutua de sus campos, se produce el llamado efecto carpa, la pueden ver en la figura n°9.

d)       Por esto mismo, el pararrayos Franklin de una punta es más eficiente que las de varias, ya que  al no existir elementos que deformen el campo, la concentración del gradiente es mayor.

e)       La pérdida de metal en la punta de los pararrayos se debe al arrastre por la corriente que sale de los mismos al quedar bajo la influencia de las nubes de tormenta y, por tal motivo, es inoperante hacerlos de platino, iridio, acero inoxidable o cualquier otro material. El bronce cromado, o en el caso de las Copperweld con tratamiento de zincado, posee un excelente comportamiento.

Si queremos calcular una protección, debemos tomar en cuenta estas consideraciones:

a)       Calcular el  delta  h para las diferentes alturas de la zona a proteger.

b)       Buscar en la columna inferior el valor de delta h disponible.  (Tabla debajo del gráfico n° 9).

c)       En las columnas superiores buscar el radio de protección correspondiente, para los diferentes grados de seguridad deseados.

d)       En un plano de planta del área a proteger márquese la ubicación del pararrayos y, con centro en esta ubicación trácense los círculos de las zonas protegidas para los diferentes valores de delta h, con lo cuál  se pondrá en evidencia si la protección es suficiente.

e)       En caso de no serlo, se deberá mejorar la situación elevando el pararrayos o bien agregando mayor cantidad en los lugares donde la protección es deficiente.

f)        El cálculo de áreas cubiertas basado en el incremento de altura no es indefinido. Cotas superiores a los 45 m, se denominan altura inútil, aunque esto no es correcto ya que las secciones de los edificios quedan por debajo del pararrayos, cuando éste está a niveles superiores a los apuntados, no quedan protegidos.

Estas normativas solo deben aplicarse en construcciones de altura inferior a 30m.



IMPACTO DIRECTO:

En todo lo que sigue debemos recordar que cada pulso del rayo a nivel de la torre, cualquiera sea el tipo del mismo,se manifiesta por medio de una corriente que sale de tierra hacia la nube. Esto implica la generación de tensiones crecientes desde el suelo hacia la parte superior de la torre ó mástil. Contrariamente a lo que se supone, la mayor tensión se genera en la impedancia inductiv en el momento de mayor escarpadura del pulso (el segundo o el tercero son los mas escarpados) y no en la resistencia ohmica. Por tal motivo propiciamos el uso de la torre  como bajada, ya que actúa ante el efecto corona, como un conductor único con toda su sección, la impedancia de este conductor es mucho menor que la de un cable de bajada. Un simple cálculo puede mostrar la magnitud de las tensiones generadas en la rectancia y en la resistencia del cable.

De modo pues que el panorama que nos presenta  un mástil con antenas y frente al cual debemos proteger el equipoes: tensión creciente sobre la torre desde el suelo hasta la parte superio. Esta tensión de parte superior es transferida por los tensores hasta sus puntos de fijación en el suelo o en la terraza de los edificios aún en el caso que se coloquen aisladores, ya que estos son contorneados dado el elevado valor que alcanzan las tensiones.

Para tener idea de los valores, supongamos un mástil equipado con una bajada de cobre de 50 mm² de sección. Un cable recto tiene una impedancia inductiva de 1.6 microhenrios por metro, de modo que la impedancia de esta bajada será:

I =30 x 1.6 x 10 exp. ( -6 ) H =  48 x 10 exp (-6 ) H

La escarpadura máxima de los pulsos del rayo son muy variables de uno a otro de un mismo rayo y cada rayo en particular, siendo mucho menor en los ascendentes que en los descendentes, sobre todo en aquellos que transportan cargas negativas (practicamente no hay pulsos positivos en los rayos tierra nube)., las estadísticas disponibles no dicen que el 95 % de los pulsos valores por debajo de los 100 Ka/microsegundo tomado un rayo medio, digamos de 60 ka/microsegundo, al ser aplicado sobre esta bajada se tendrá:

E = I di/dt = 48 x 10 exp (-6) x 60 x 10 exp(3)/10 exp (-6) seg

E = 2.880.000 volt.

Si se quiere comparar con la tensión generada en la resistencia ohmica, recuerdese que la resistencia específica del cable es 0.0175 ohm por metro y por milímetro cuadrado de sección por lo que para nuestra bajada sera:

R = 0.0175 x 30 / 50 = 1.05 ohm.

La corriente máxima de pico, como todos los parámetros de lrayo, es muy variable de pulso a pulso y de rayo en rayo.

También en este caso debemos recurrir a la estática que nos dice que en el 95 % de los casos esta corriente está por debajo de los 150 Ka. Tomando un rayo de 100 Ka tendremos:

E volt = 1.05 x 100 x 10 exp (3) A = 105.000 volt

La tensión del rayo anterior levanta en la toma de tierra puede ser calculada a partir de los 10 ohm que la norma establece para la resistencia admisible para pararrayos ya que con respecto al pulso es practicamente un resistencia ohmica:

E volt =  10 x 100 exp (3) = 100.000 volt.

Pero ocurre que el comportamiento del suelo a alta tensión no es lineal. A partir de los 250/300 Kv, según las características del suelo, se producen fenomenos de efecto corona que cortocircuitan las partículas del mismo, anulando su resistencia, debiéndoce tomar estos valores como la tensión máxima alcanzada.

Acción de lcampo electromageético generado por el rayo.

El canal central del rayo, recorrido por pulsos de fuertes corrientes de pico, representa un mástil irradiante que genera un campo electromagnético poderoso. Este campo , al ser levantado por la antena, genera elevadas sobretensiones que ponen en peligro los equipos, aunque el rayo haga impacto a centenares de metros de la misma. Evidentemente si el conjunto está protegido contra una cida directa, también lo estará contra sobre tensiones.

Obiamente pordríamos seguir hablado horas sobre este tema, analizando por ejemplo la utilización del hierro del hormigón armado como protección primaria, estructuras metálicas como bajadas de pararrayos, etc.

Cada uno de ellos con sus particularidades y defectos, pero creo que con lo redactado hasta ahora pueden tener una idea mas cabal de lo que es el mundo de los rayos y los pararrayos.

En esta nota hay un mapa de sud y centro américa mostrando las regiones isoceraunicas, existen mapas mas detallados a nivel país de las curvas, pero consideré que para tener una idea de las estadísticas de caidas de rayos este era mas que suficiente.

Agradezco a Martín el espacio que me dá para volcar mis experiencias.

Saludos a todos.

Carlos

LU2CRM.

PD: en este trabajo consulté por si les einteresa: UFER H.G  Investigation and testing of footing-type grounding electrodes for electrical installations. Y Power apparatus and sistems..