¿Cómo se forman los rayos? ¿Cuál es el peligro de los rayos? ¿Los pararrayos “atraen” o “repelen” a los rayos? ¿Debo instalar un sistema de pararrayos? ¿Cuál es el “área de cobertura” o “área de protección” de los pararrayos? En este artículo trataremos de dar respuesta a estas interrogantes con base a datos científicos, comprobados y respaldados por normas mexicanas y estándares internacionales.
¿Cómo se forman los rayos?
Los rayos son descargas de electricidad estática que se forman entre la nube y la tierra, o entre la nube y objetos aterrizados como árboles, antenas, postes, edificios, personas, etc. El proceso de formación de un rayo involucra varios pasos:
- Dentro de la nube conviven objetos pesados y fríos (hielo, nieve, polvo, granizo) que tienden a moverse hacia abajo, con objetos ligeros y más cálidos (vapor de agua, gotas de rocío) que tienden a moverse hacia arriba. En este movimiento se friccionan entre sí, formando cargas de electricidad estática.
- Las cargas negativas tienden a agruparse en la parte inferior de la nube, mientras que las cargas positivas tienden a acumularse en la parte superior. Existen algunas ocasiones donde este fenómeno se da a la inversa.
- Las cargas negativas acumuladas en la parte inferior de la nube “inducen” una carga de electricidad estática positiva en el área de la tierra inmediatamente debajo de ella. Los cuerpos “aterrizados” (árboles, postes, antenas, edificios, personas, etc.) también se cargan de electricidad estática positiva. Esto produce una diferencia de potencial enorme (millones de volts) entre nube-tierra.
- Esta diferencia de potencial vence la rigidez dieléctrica del aire, y cargas negativas comienzan a bajar hacia tierra haciendo saltos en zig-zag de aproximadamente 30 a 40 metros.
- Cuando las cargas negativas se acercan a tierra, las cargas positivas suben a su encuentro. Cuando las cargas negativas y positivas se encuentran, se forma la descarga eléctrica o rayo.
¿Cuál es el peligro de los rayos?
Las descargas atmosféricas son de muy corta duración (microsegundos), pero involucran una gran cantidad de energía. La TABLA 4 publicada en la norma mexicana NMX-J-549-ANCE-2005 indica que las descargas eléctricas pueden asociarse con corrientes de más de 200,000 Amperes. Esta enorme energía puede provocar:
- Quemaduras externas, quemaduras internas, daños a órganos y muerte a personas o animales que son alcanzados por descargas directas o indirectas.
- Daños estructurales a columnas, tanques y otras estructuras hechas de concreto con refuerzo de acero.
- Incendios en estructuras que contienen residuos peligrosos, combustibles y otros objetos inflamables o explosivos.
- Daño a equipo eléctrico y electrónico por efectos de sobrevoltajes transitorios (picos de sobre-voltaje), tanto en el sistema de alimentación (potencia) como en el de señales de comunicación.
¿Los pararrayos “atraen” o “repelen” a los rayos?
La respuesta correcta es: ni lo uno ni lo otro. La norma mexicana NMX-J-549-ANCE-2005 en concordancia con el estándar NFPA 780 indican claramente que el conocimiento actual de las leyes de la física establecen que el sistema de pararrayos no tiene la capacidad de influir o evitar los procesos de formación y descarga de los rayos.
Se debe evitar a toda costa utilizar pararrayos que promueven lo contrario. Algunos fabricantes aseguran que sus equipos evitan la formación del rayo al polarizar la tierra, o que los desvían por medio de unas cúpulas de protección, o que sus equipos atrapan al rayo al enviar una descarga temprana hacia la nube neutralizándola. Ninguna de estas aseveraciones puede ser demostrada, y estos equipos no cuentan con el soporte de las normas mexicanas ni de los estándares internacionales serios y reconocidos como la IEEE o la NFPA.
La función del sistema de pararrayos es recibir la energía del rayo y llevarla por un camino seguro y de baja impedancia hacia tierra, buscando que la gran mayoría de la energía de la descarga atmosférica circule por el sistema de pararrayos, y no por otros lugares donde puede hacer daño a estructuras, equipos y personas.
¿Debo instalar un sistema de pararrayos?
La norma NOM-022-STPS-2015 Artículo 5.2 dice que es una obligación de los patrones instalar un sistema de protección contra descargas atmosféricas en las áreas donde se manejen o transporten sustancias inflamables o explosivas. En la Sección 8 de la mencionada norma, nos remite a la NMX-J-549-ANCE-2005.
Es en esta norma que existe una metodología para determinar si se DEBE o se PUEDE instalar un sistema de protección contra descargas atmosféricas.
En esta metodología se valora el riesgo de recibir una descarga. Este riesgo es dependiente de la ubicación geográfica (no es lo mismo un edificio localizado en una ciudad donde continuamente llueve y hay descargas atmosféricas, a un edificio localizado en una ciudad donde casi no hay tormentas eléctricas) y del área que ocupa el edificio (un edificio con mayor área tiene muchas más probabilidades de ser alcanzado por un rayo).
También se debe tomar en cuenta el tipo de edificio, su construcción, sus contenidos, el valor de sus contenidos o procesos, el valor histórico, las probables consecuencias ambientales de un incendio, la concentración de vidas humanas, etc.
Utilizando esta metodología, se puede determinar de manera categórica si instalar un sistema de protección contra el rayo es una necesidad o una opción.
¿Cuál es el “área de cobertura” o “área de protección” de los pararrayos?
De acuerdo con la norma NMX-J-549-2005, los elementos del sistema de pararrayos que sirven para captar la energía de la descarga atmosférica, y que usualmente se instalan en la azotea se llaman terminales de aire. Para seleccionar la ubicación de las terminales de aire se debe seguir el método de la esfera rodante.
Con este método gráfico, se hace rodar una esfera imaginaria de radio x (el radio depende de la estructura a proteger, y varía entre 20 y 60 metros) entre tierra y la estructura a proteger. Todos aquellos puntos en los que la esfera hace contacto con la estructura son lugares donde puede golpear un rayo. Se deben colocar terminales de aire en todas las áreas donde la esfera hace contacto con la estructura, de manera tal que le esfera rodante descanse sobre las terminales de aire. La siguiente figura explica este método.
Algunos fabricantes promueven que sus terminales de aire protegen un diámetro x alrededor de la punta, y que mientras más alta se instale la punta, mayor es el radio de protección. Estas aseveraciones no tienen fundamentos normativos, ni van de acuerdo con los conocimientos actuales de los fenómenos físicos, por lo tanto se deben evitar como base para el diseño del sistema de pararrayos.
Además de las terminales de aire (comúnmente conocidas como puntas de pararrayos), se deben diseñar e instalar otros componentes esenciales del sistema de pararrayos. Un buen sistema de protección contra descargas atmosféricas debe contar con los siguientes elementos:
- Terminales de aire
- Sistema equipotencial superior
- Conductores de bajada
- Terminales de tierra
- Sistema equipotencial inferior
- Sistema de protección contra sobrevoltajes transitorios
Conclusiones
- Un sistema de protección contra descargas atmosféricas debe instalarse en lugares donde se almacenen, transporten o manipulen materiales inflamables o explosivos.
- Las terminales de aire se deben escoger utilizando el método de la esfera rodante.
- Se deben diseñar y escoger de manera adecuada los materiales y la ubicación de los conductores de bajada y las terminales de tierra.
- Se debe diseñar e instalar un sistema de protección contra sobretensiones transitorias en el sistema eléctrico y de señales.
- Se requiere la intervención de ingenieros calificados para diseñar, instalar y mantener los sistemas de protección contra descargas atmosféricas, de manera tal que se cumplan los objetivos para los que se instalan.