Conceptos básicos de protección contra rayos

Hace un tiempo tuve la oportunidad de escribir un artículo para una revista técnica en México, en la que me solicitaban explicar de forma sencilla, en qué consiste la protección interna en un sistema integral de protección contra rayos y la verdad es que el ser colombiano ayuda mucho en la tarea de entender este concepto de forma más amplia ya que el ejercicio normativo en Colombia, en particular en el sector energético... 

 está ampliamente desarrollado en comparación con los países de la región incluyendo a México, donde actualmente ejerzo mi profesión, y aún más particularmente esto es así en el tema de la protección contra rayos.

Se suele describir el tema de la protección contra rayos como un tema de cultura y tal vez este acercamiento es correcto, sin embargo al tratarse de un riesgo que causa muertes, no podemos limitarlo al mero ámbito de la cultura y se debe ser enfático en el rigor del cumplimiento de las normas técnicas que al final del día son el reflejo del consenso académico y profesional cuyo objetivo es la salvaguardia de la vida y en segunda instancia de las instalaciones.


Permítanme antes de entrar en detalles sobre el tema de la protección contra rayos, rescatar algunas diferencias entre la regulación del tema, que hay entre México y Colombia y que dicho sea de paso, es lo que me ha permitido de alguna manera destacar en este hermoso país como profesional. En este país existe una norma mexicana de protección contra rayos (NMX-J-549-ANCE-2005), para los que no están familiarizados con la regulación mexicana, las normas que tienen las letras NMX y que significan Norma Mexicana, no son de carácter obligatorio, para que lo fueran deberían, en lugar de ser NMX, ser NOM, lo cual significa Norma Oficial Mexicana, en fin, además de no ser obligatoria, podrán intuir que el número 2005 corresponde al año en que el documento fue expedido y efectivamente es así, lo cual deja al documento en un atraso de 13 años al día de hoy y de unos 10 años al menos en comparación con las normas más recientes de la región, pues muy bien, este documento fue basado en una versión previa de la IEC 62305 que es la IEC 61024 y mientras en México se observa un documento que perdió vigencia hace tanto tiempo, yo tengo la fortuna de recordar mis inicios en el tema, cuando trabajaba en la empresa DEMO Ingeniería y de la mano con SEGELECTRICA, que mi primera tarea fue estudiar detalladamente la IEC 62305 y que esta tarea se repetía cada vez que un documento nuevo aparecía, lo cual traduzco como una verdadera cultura de la vanguardia del conocimiento y que lamentablemente no es el factor común de la región.


Pues bien queridos lectores, después de introducir este detalle anecdótico me gustaría retomar el ejercicio de explicar de manera simple en qué consiste la protección interna contra rayos para lo cual me permito utilizar una analogía muy sencilla. Imagínese usted un lago en calma en la mitad del cual hay un barco en el que usted duerme plácidamente, ahora imagine formas en las que un meteorito pudiera hacer naufragar el barco y se dará cuenta de que al menos hay dos formas evidentes en las que esto podría suceder, la primera de ellas es que impactara sobre el barco y causara daños de forma directa, y la segunda y no tan evidente es que impacte en algún lugar del lago y produzca una ola que provoque el naufragio, ya habrá notado que la analogía hace referencia a la posibilidad que un rayo impacte en una instalación causando daños de forma directa o que un rayo impacte en cercanías de una instalación y genere inducciones perjudiciales para los equipos, en este punto quiero comentar que una distancia a la cual un rayo puede llegar a generar inducciones peligrosas es incluso del orden de 5 km, con lo cual el término “cercano” es bastante relativo. Muy bien, la protección interna permite proteger una instalación contra este escenario de inducción y en nuestra analogía podrá imaginarse que si tuviera un escudo del tamaño suficiente podría evitar que el meteorito impactara en el barco, lo cual es equivalente a tener sistema de protección externo (terminales aéreas de captación o pararrayos), pero ese escudo no lo protegería en todo caso de la ola que el meteorito generaría, y es por esta razón que un sistema de protección interna es necesario. Veamos que no es lo mismo una ola que se genere cerca del barco que una ola que se genere a una distancia mayor, en primera instancia me referiré a la ola que se genera a mayor distancia y posteriormente a la que se genera cerca.


Entre el punto en que se genera la ola y el barco usted podría interponer un rompeolas o malecón con el cual la ola choque y si tiene suerte hasta ahí llega el problema, pero siempre es posible que la ola sea tan fuerte que no sea suficiente poner un rompeolas y sea necesario un segundo o incluso un tercero y como podrá imaginarse, el objetivo de los rompeolas es mermar de forma gradual la fuerza de la ola hasta el punto en que esta no cause el naufragio. En esta analogía hay varios aspectos importantes que hay que considerar. El primero es que no se puede tener los rompeolas muy cerca entre ellos porque una ola muy fuerte podría pasar por encima de todos y causar daño, lo cual se debe asimilar en la protección interna como la necesidad de definir zonas de protección (ampliamente expuestas en la NTC 4552-4) y en la necesidad de desacoplar eléctricamente los supresores lo cual se consigue con distancias entre los DPS y en algunos casos con bobinas de desacoplo.

Nota: Toma en cuenta que hoy en día hay fabricantes que ofrecen supresores clase I+II que no requieren desacople o supresores Clase I que son coordinables con DPS Clase II sin desacople.

El segundo elemento que hay que considerar es que el tamaño del rompeolas depende de la magnitud que pueda tener la ola, lo cual es equivalente a dimensionar correctamente los DPS en función de la capacidad de corriente que pudiera llegar a tener un rayo, recuerda que los parámetros del rayo varían espacial y temporalmente y estos aspectos técnicos están ampliamente descritos en la NTC 4552, y si usted quisiera ampliar sobre el tema le recomiendo consultar los libros del Dr. Horacio Torres de la Universidad Nacional de Colombia. En este sentido debe recordar que los DPS se clasifican en al menos 3 tipos o clases, los tipo 1 clase I pueden soportar magnitudes de corriente altas pero no suelen tener tensiones residuales o de protección lo suficientemente bajas como para proteger equipos sensibles, estos DPS se especifican con magnitudes de corriente en forma de onda 10/350 μs; los DPS tipo 2 o Clase II no tienen la capacidad de drenar tanta energía como los Clase I pero tienen la ventaja de tener tensiones residuales o de protección más bajas, estos DPS se especifican con magnitudes de corriente en forma de onda 8/20 μs. Por estas razones los DPS se debe especificar para proteger en cascada es decir uno aguas abajo del otro y es por esto que se requiere una coordinación energética.


En nuestra analogía, el tamaño del rompeolas más próximo al barco dependerá del tamaño del barco, ya que si el barco es lo suficientemente grande es posible que una ola pequeña no cause daño mientras que un barco muy pequeño probablemente si naufrague ante la misma ola, el tamaño del barco debe asimilarse eléctricamente como el nivel de inmunidad ante el fenómeno, lo cual en el caso de las sobretensiones transitorias típicamente se conoce como el BIL o nivel básico de aislamiento, y el dimensionamiento del rompeolas, es decir del DPS, debe ser tal que la tensión residual o de protección sea menor que el 80% del BIL. Nota: el error más común cuando se utilizan DPS es no observar en detalle las recomendaciones de instalación.


Con este ejercicio es evidente que se necesitan varias etapas para lograr drenar a tierra todos los efectos directos e indirectos del rayo, no se olvide que usted quiere drenar la mayor energía posible pero al mismo tiempo quiere tensiones residuales o de protección bajas.


Ahora que sabes qué ocurre si el meteorito cae muy cerca, déjeme decirle que en estos caso la protección se debe lograr con un rompeolas que sea lo suficientemente alto como para evitar que cualquier ola lo sobrepase y esto es realmente difícil ya que eso eléctricamente significa tener la capacidad de soportar corriente altas y ofrecer tensiones residuales o de protección bajas, un par de cuestiones que son ciertamente difíciles de combinar, por lo que es recomendable diseñar nuestras instalaciones para que esto no sea necesario. Esto no significa que no se pueda proteger una instalación así, lo que significa es que se debe buscar siempre un compromiso entre limitaciones técnicas y costos, además de no olvidar que entre más alejados estemos de la fuente de perturbación más sencillo será la protección.


En resumen los siguientes aspectos son importantes a considerar
Para que el barco no naufrague, es decir, para que la instalación no se dañe, se requiere de un escudo o sistema de protección externo (terminales áreas de captación o pararrayos) ubicados en la instalación siguiendo algún método electrogeométrico expuesto en la NTC4552 y adicionalmente se requiere un rompeolas, equivalente a un Supresor o DPS (Dispositivo de Protección contra Sobretensiones transitorias) y que para lograr proteger correctamente, en la mayoría de los caso no es suficiente solo con un DPS y esto requiere tener conocimientos para coordinarlos de tal manera que no pierdan efectividad como lo harían dos rompeolas que están muy juntos.

 

conceptos basicos de proteccion contra rayos 3

Figura 1 esquema general de conexión de un DPS en modo común. Tomata del RETIE

 

Este artículo fue redactado por:

Alberto Braulio Alzate Duque
Ingeniero Electricista de la Universidad Nacional de Colombia, Especialista en Gerencia Integral de Obras de la Escuela de Ingenieros Militares Nueva Granada, Profesor de sistemas de puesta a tierra y protección contra rayos de la Universidad Nacional Autónoma de México (UNAM), Presidente de la Sociedad de Electricistas, Plomeros y Fontaneros de México y Consultor en el área de sistemas de puesta a tierra y protección contra rayos para múltiples empresas en México y Latinoamérica.
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