Varios

Los relámpagos y sus consecuencias

26 septiembre, 2013

La caída de rayos puede provocar importantes daños en las instalaciones de equipamientos electrónicos. Un rayo es una fuente importante de energía que se libera en un tiempo muy corto lo que produce un enorme potencial con elevadas tensiones y corrientes.

El efecto visual que produce un rayo es la circulación de corriente entre dos potenciales, por un lado una nube con un potencial negativo y por otro la tierra buscando su potencial más positivo, conocido como rayo nube-tierra. También es posible otras combinaciones como nube-nube, tierra-nube. La atmósfera es considerada aislante e impediría la circulación de corriente, pero todo material tiene un punto de ruptura dieléctrica a partir de la cual es capaz de circular corriente.

Por ejemplo, el aire tiene una ruptura dieléctrica de unos 3MV/m, valor que depende de la presión, humedad y otros componentes que puedan estar presenten en el aire. Esto significa que si aplicamos una tensión de 3MV entre dos puntos que estén distantes entre sí 1 metro o menos, aparecerá un arco eléctrico y una circulación de corriente. El campo eléctrico aplicado entre esos dos puntos es tan elevado que es capaz de ionizar el aire, romper su estructura molecular y permitir la circulación de corriente con los electrones liberados. Incluso ese fenómeno de ruptura molecular genera un ruido, que puede ser el de un simple “chispazo” o un estruendo trueno.

El campo eléctrico necesario para producir la ruptura dieléctrica es directamente proporcional a la distancia, cuando más pequeña sea ésta, menos tensión será necesaria aplicar. Por ejemplo, una bujía de un vehículo tiene un electrodo separado a unos 0.7mm, lo que supone que con una ruptura dieléctrica de 3MV/m necesitaríamos aplicar una tensión mínima de E = 3MV/m·0.7mm =  2.1kV para poder generar un arco eléctrico en el aire.

Un rayo recorre el camino más corto entre los dos puntos de mayor potencial, este camino no tiene que ser necesariamente el más corto en distancia, será aquel que presente una menor impedancia. De ahí que normalmente no veamos los relámpagos como líneas rectas.

Las características medias de un rayo son: 20GW de potencia, un campo eléctrico de unos 400kV, una corriente media de 50kA y un tiempo de unos 25mS. Hay que tener en cuenta que estas magnitudes varían durante el tiempo que se produce el rayo. Inicialmente la tensión es mucho más elevada para que sea capaz de producir la ruptura dieléctrica y nada más comenzar la circulación de corriente esta decrece rápidamente.

Haciendo una sencilla estimación en la que la potencia del rayo se mantiene constante durante todo el tiempo que dura el rayo, tendremos una energía de E = P·t = 20GW·25mS = 500MJ = 138kWh. Por hacer una comparativa sencilla, un vehículo eléctrico consume unos 16kWh por cada 100km. Si fuéramos capaces de aprovechar toda esa energía, podríamos recorrer más de 800km.

Como se puede observar con estos sencillos cálculos, no es nada despreciable la energía que se obtiene de un rayo, desgraciadamente toda esa cantidad de energía en un tiempo tan pequeño, del orden de milisegundos, hace que sea prácticamente imposible tratar de aprovecharlo de cualquier forma.

En definitiva, no solo no somos capaces de aprovechar esta energía, sino que puede producir daños importantes en las instalaciones eléctricas y electrónicas. Son varias las consecuencias que pueden producirse en una instalación y únicamente vamos a comentar dos de ellas.

Un rayo cae sobre la instalación:

Lo más probable es que se pueda asegurar la destrucción física de la misma. Existe un alto riesgo de incendio por las temperaturas alcanzadas y aun en caso de no producirse un incendio, el camino que ha llevado el rayo hasta alcanzar la tierra quedará destruido. Aunque se trata del efecto más devastador, también es el más improbable.

Un rayo cae cerca de la instalación:

No es necesario que un rayo impacte sobre nuestra instalación para producir daños, cuando éste cae a una distancia inferior a 1.5km el peligro sigue siendo importante e incluso esta distancia puede incrementarse dependiendo del tipo de instalación que se tenga. En este caso, la probabilidad aumenta considerablemente a medida que aumentamos el radio de acción en el que puede se puede afectar una instalación. La mayoría de las averías que se producen en las instalaciones debido a la caída de rayos se producen debido a este fenómeno.

Para entender qué es lo que ocurre debemos recordar el principio de la Ley de Lenz:

http://www.gobiernodecanarias.org/educacion/3/Usrn/lentiscal/2-CD-Fiisca-TIC/2-4Induccion/Electromagnetismo-Applets/imagenes/induccion5.gif

Si un campo magnético atraviesa una espira, se produce una tensión inducida en bornes de dicha espira que contrarrestará a este campo magnético. La tensión inducida es proporcional a las variaciones de intensidad del campo magnético y la superficie de la espira.

El primer factor, las variaciones de intensidad del campo magnético, dependerán de la intensidad del rayo y de la distancia a que haya impactado. Sobre este aspecto nada podremos hacer.

Un método sencillo para estimar la tensión inducida, consiste en suponer que el rayo se produce de forma perpendicular a la tierra. En ese caso, aplicando la ley de Lenz se obtiene la tensión inducida en una espira en función de la superficie, la distancia y la variación de la corriente:  U = 200 (S/r) · (ΔI/Δt)

Un rayo típico puede tener ΔI/Δt [kA/us] = 40kA/uS. De esta forma la tensión inducida sobre una espira de 1m² a una distancia de 1km será U = 8V. Si la distancia se acorta a 100m o la superficie de la espira fuera de 10m² la tensión inducida llegará a 80V. Una tensión inducida de 8V no tendrá mayor importancia, quizás podría dañar algunos equipos electrónicos si no estuvieran suficientemente protegidos, un pico de 80V empezaría a ser un problema.

El principal inconveniente que podemos encontrar en una instalación puede ser la superficie de nuestra espira. Por ejemplo, supongamos la siguiente instalación fotovoltaica.

En las dos instalaciones se tiene la misma conexión eléctrica, dos series de seis paneles conectados en paralelo, la diferencia es que entre la primera y la segunda la superficie de las espiras que forman el cableado es notablemente diferente.

En el primer caso, se tiene una espira mayor de unos 10m x 4m = 40m². En el segundo tipo de instalación, si se hace adecuadamente haciendo que el cableado positivo y negativo estén lo más próximo el uno del otro, se puede considerar la superficie de la espira formada es prácticamente cero.

Con el ejemplo anterior, un rayo a 1km de distancia con ΔI/Δt [kA/us] = 40kA/uS, se puede inducir una tensión en bornes del inversor de 320V, mientras que en el segundo caso sería prácticamente cero. La incidencia de esta tensión en la instalación dependerá fundamentalmente de las características del inversor y de si disponemos de descargadores de tensión para protecciones contra rayos.

En cualquier caso, siempre es interesante prestar especial atención a cómo se realiza el cableado de una instalación para tratar de minimizar el impacto de un rayo. Los cables de retorno o de masa siempre deberían llevar el mismo camino que las de señal o positivas para reducir la superficie que pueda ser atravesada por el campo magnético producido por un rayo.

Post publicado por: Antonio Lacueva

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