2000.07 Horacio Torres - Eficacia ESE

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Qu tan eficaces son los modernos dispositivos no convencionales de proteccin contra rayos? H. Torres. Revista AEIUN,Bogot, Julio 2000.

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Qu tan eficaces son los modernos disposit ivos noconvencionales de proteccin contra rayos?

Horacio Torres-SnchezProfesor Titular, Universidad Nacional de Colombia

Director Programa de Investigacin PAAS-UNBogot, Colombia.

Introduccin

Hace algunos aos entraron al mercado mundial y al colombiano modernos Dispositivos noconvencionales de proteccin contra rayos. Segn sus fabricantes y representantes estos son mseficaces en su funcionamiento que los terminales areos inventados en 1752 por BenjamnFranklin y conocidos comnmente como Pararrayos tipo Franklin. Los dispositivos noconvencionales se conocen por diferentes nombres en el idioma espaol como pararrayosionizantes,dispositivos piezoelctricos, terminales de emisin temprana.

Estos modernos dispositivos han creado una gran controversia dentro de la comunidad acadmicainternacional hasta el punto que solamente han sido aceptados por dos normas nacionales: lafrancesa y la espaola.

El propsito de este artculo es presentar un anlisis tcnico que facilite la comprensin sobre lacontroversia, con el nimo que la ingeniera colombiana conozca las razones y el porque estosmodernos dispositivos no han sido aceptados por las normas IEC1 ni por las normas NFPA2.

La discusin

La proteccin de estructuras contra el rayo, se realiza mediante la accin integral de los sistemasde proteccin externa y los sistemas de proteccin interna, previa la valoracin del riesgo a quepueden estar sometidas.

Si bien en los mtodos empleados para la proteccin interna como por ejemploequipotencializacin, distancias de seguridad, apantallamientos, empleo de descargadores, noexisten discrepancias apreciables en la comunidad acadmica, no ocurre lo mismo con el sistemade proteccin externa en cuanto se refiere a la accin de las cabezas captadoras, donde lasposiciones son encontradas y se maneja la existencia de normas como escudos para la defensa deuno u otro producto.

Como ejemplo se tiene la posicin mantenida por las normas IEC 61024, donde el sistema deproteccin externa est basado en las puntas Franklin, mientras que las normas francesa NF C17-102, y la espaola UNE 21186, se basan en los dispositivos de cebado instalados en las puntascaptadoras y establecen el aumento de la distancia de proteccin, respecto a un Pararrayos tipoFranklin, en funcin de su capacidad de producir la ionizacin temprana o preionizacin del aire.

Para los normas tcnicas francesa y espaolas las diferencias no se quedan solamente en elcampo de los conceptos fsicos como ionizacin, efecto corona, avance de cebado, sino que semanifiestan tambin en las valoraciones del riesgo y la seleccin de los niveles de proteccin Esas como la norma espaola3, en lo referente al clculo de la frecuencia aceptable de rayos sobreuna estructura (Nc), trabaja con coeficientes que dan lugar, en general, a niveles de proteccin msbajos.

1International Electrotechnical Commission2Nacional Fire Protection Association3Que toma como referencia la norma francesa


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El hecho de que la estimacin del avance de cebado, en las normas francesa y espaola, se llevea cabo mediante ensayos en laboratorios (anexos C), es motivo tambin de controversia, por la norepresentatividad de los valores que se obtienen de la realidad del proceso de formacin de ladescarga ascendente positiva; proceso que ha sido motivo de trabajos de numerososinvestigadores como Gallimberti (1979), Dellera y Garbagnati (1990), Risk en sus modelospropagativos, y de Lalande (1998) con el establecimiento del concepto de campo deestabilizacin4.

Dispositivos no convencionales ESE

Es comnmente aceptado que la efectividad de un Pararrayos tipo Franklin para interceptacin derayos se le atribuye ms a su posicin respecto a los objetos a proteger, que a los detalles de suforma o estructura.

Por el contrario, los dispositivos no convencionales se basan, generalmente, en que elmejoramiento de las propiedades de proteccin se debe a un diseo especial de la terminacin.

La caracterstica especial ms comn que sostienen los fabricantes de los modernos dispositivoses la del fenmeno de preionizacin, que puede ser creada de varias formas:

Materiales radioactivos colocados en la punta del terminal. Materiales piezoelctricos colocados en la punta del terminal. Electrodos con filo agudo o arreglos en punta, los cuales son usados para facilitar la

formacin de efecto corona. Bobinas de induccin diseadas para producir descargas en el campo electromagntico

transitorio. Electrodos de potencial flotante, los cuales pueden iniciar descargas bajo campos de

tormentas. Dispositivos que se disean para crear descargas, conocidos en el idioma ingls como

terminales tipo ESE5.

La funcin sobre la cual se basa un terminal tipo ESE es el disparo de un lder ascendente

temprano en un tiempo t, mucho antes que el tiempo de disparo de un pararrayos tipo Franklin. Ladiferencia de tiempo, t, es definida como el tiempo de ventaja6.

Los fabricantes proponen que este tiempo de ventaja sea multiplicado por la velocidad constantede la descarga descendente. Esta multiplicacin determina la longitud L del disparo de ladescarga.

La filosofa de los promotores de los terminales tipo ESE es que su longitud L da la mismaproteccin que un pararrayos tipo Franklin de longitud L, ms el L arriba mencionado, es decirL+L.

Contrario a lo que muchos piensan, Cassie [7] y Roberts [8] han demostrado que los dispositivosESE no incrementan significativamente la conductividad del aire a una distancia superior a los 10

centmetros de la punta de la varilla.

El principal efecto atractivo de los dispositivos ESE es indudablemente debido al conductormetlico mismo que presenta un mejoramiento significativo del campo elctrico, el cual, a su vez,incrementa la rata de ionizacin del aire alrededor de la varilla por encima de las otraslocalizaciones vecinas, [9].

4campo ambiente mnimo que permite la propagacin estable del lder ascendente positivo

5Early Streamer Emission

6time advantageen ingls


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Existen actualmente tres tipos de dispositivos no convencionales ESE [10], [11], [12]:

Terminales ionizanteso radioactivosTerminales equipados con disparo elctrico(electrical triggering device)Terminales que usan emisin lser

El terminal tipo lser est an bajo desarrollo y su efectividad, aunque promisoria, no ha sidodemostrada fuera de laboratorio. El ms ampliamente usado y quizs el ms polmico es eldispositivo ESE equipado con fuente radiactiva colocada cerca de la punta del terminal. Losmateriales radioactivos empleados son partculas dbiles alfa de relativa larga vida como porejemplo 241Am, 210Po, 226Ra, 85Kr y 60Co.

Recientemente han sido presentados al mercado internacional los terminales ESE equipados condisparo elctrico. En principio, su propsito es el mismo que los terminales radioactivos, sinembargo, la informacin tcnica disponible es de naturaleza preliminar y sin detalles tcnicos sobresu sistema de disparo. De la informacin disponible parece que los ESE con disparo elctricoemplean un detector que censa la aproximacin de un lder produciendo una seal elctricaproporcional a la magnitud o a la rata de cambio del campo elctrico producida por la aproximacindel lder. Cuando la seal de salida del detector alcanza un cierto nivel, este dispara un circuito que

aplica un pulso rpido de alta tensin directamente a la varilla o a un arreglo de electrodoscolocado en la punta de la varilla. La aplicacin de los pulsos elctricos mejora el campo elctricolo suficiente para crear una descarga local o ionizacin en el momento ms oportuno para iniciar lapropagacin de un lder (streamer) ascendente. Informacin de los fabricantes sobre la duracin yextensin de esta ionizacin no se encuentra en la bibliografa.

Hay otros tipos de dispositivos ESE de reciente desarrollo que utilizan efectos piezoelctricos parael disparo elctrico. Se presume que la funcin de un disparador piezoelctrico es el mismo de losotros dispositivos ESE, es decir, mejorar la ionizacin e incrementar la probabilidad (reduciendo eltiempo) para iniciar la propagacin de un lder (streamer) ascendente.

En resumen, parece que el mejoramiento de la iniciacin de un lder ascendente en un dispositivono convencional tipo ESE (comparado con un terminal convencional) tiene unas bases fsicas

plausibles; sin embargo, su efectividad an no ha sido demostrada en pruebas de campo. Existeninformes de incidentes donde los dispositivos ESE fallaron en dar la proteccin especfica quedecan sus fabricantes [13],[14],[15],[16],[24],[25],[26]. As mismo, existen tambin informesestadsticos sobre fallas de los terminales convencionales, [10].

Posicin de la comunidad cientfica internacional frente a los dispositivos noconvencionales ESE

La probabilidad de un buen funcionamiento de los nuevos dispositivos ha sido crticamentecomentado por los expertos reunidos en el grupo de trabajo WG 33.01 de CIGRE [1].

El argumento sobre la probabilidad de buen funcionamiento de los nuevos dispositivos puede serenfocado hacia una pregunta:

La preionizacin creada por algn medio sobre el terminal puede afectar significativamente elinicio, desarrollo y la orientacin final del lder descendente de un rayo?

En otras palabras, si la fsica de la descarga y las evidencias experimentales pueden soportar unapreposicin cientfica tal como:

Si la preionizacin facilita la emisin temprana de streamers ascendentes, entonces mejorarel rea de proteccin de los terminales areos (Terminales tipo ESE, varillas radioactivas).


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A finales de 1999, la NFPA de los Estados Unidos puso a discusin de la comunidad internacionalun borrador de reforma de la norma sobre proteccin contra rayos, NFPA 781, la cual considerabala inclusin de terminales areos no convencionales tipo ESE. Esto produjo reacciones en lacomunidad cientfica internacional, como por ejemplo la del comit ICLP7[4].

La proteccin contra rayos es un asunto de primordial importancia para la seguridad. Los sistemasy medios de proteccin deben, entonces, proteger fsicamente a las personas, reducir el riesgo defuego y evitar la degradacin de los equipos y las interrupciones en la produccin, a nivelestolerables. Para llenar estos requerimientos y evitar acciones legales, incluyendo demandas porprdidas econmicas, las normas de proteccin contra rayos deben estar basadas en principioscientficos probados y argumentos tcnicos incuestionables.

Pruebas de laboratorio versus rayos naturales

Como indica Lalande en la introduccin de su tesis doctoral (1998), para abordar el problema de laproteccin de una estructura en el suelo hay que controlar el modelo de los dos lderes,descendente-ascendente, y en particular el del lder ascendente positivo que es el que determina elpunto de impacto.

En el anlisis del factor de escala, en referencia a los ensayos que se pueden abordar en los

laboratorios de alta tensin, concluye:

A causa del factor de escala, los lderes no se pueden formar para el mismo campoambiente Eo, debindose aplicar campos ambientes Eoms elevados para formar el lderconforme la escala de la estructura es ms reducida.

Las descargas atmosfricas en una estructura a escala 1:1 y las del laboratorio quecorresponden a una escala 1:4 no pueden formarse y propagarse para el mismo campoambiente, lo que puede conducir a modelos de propagacin diferentes.

Las descargas de laboratorio permiten estudiar de manera cualitativa los principios dedesarrollo de una descarga atmosfrica, pero no pueden utilizarse para determinar por unasimple correccin de factor de escala, los campos ambientes necesarios para la formacindel lder ascendentes en estructuras reales.

En la descripcin de los diferentes ensayos llevados a cabo tanto en laboratorio, por el ONERA yEDF (1989), para determinar la influencia geomtrica del electrodo (perfil elipsoidal, Pa= relacinentre eje mayor-eje menor altura), en la iniciacin y propagacin del lder ascendente positivo,como en los llevados a cabo, mediante disparos de cohetes, en 1995 en Camp Blanding (Florida)por CENG, EDF y lONERA, presenta las siguientes conclusiones:

Para electrodos con iguales alturas, el que tiene el radio de curvatura menor (Pa=25), es elque tiene la mayor probabilidad de alcanzar el plano simulador de la nube.

Cuando los electrodos tienen alturas diferentes, es el electrodo de mayores dimensiones elque provoca el mayor nmero de descargas en el aire, constatndose que diferencias de25 cm en las alturas, dan lugar a que el 100% de los cebados se produzcan el electrodo demayores dimensiones, no pudindose compensar una pequea diferencia entre las alturascon una disminucin del radio de curvatura.

El parmetro ms importante en la geometra de un electrodo es su altura. Cuando la descarga positiva se propaga en el medio natural, genera impulsos de una

centena de amperios a intervalos de aproximadamente 20s, fenmeno que no se habaobservado en los ensayos de laboratorio.

La velocidad de la descarga ascendente, medida con la ayuda de cmaras y confirmadaspor medidas electrostticas (Laroche y otros 1982) es del orden de 105m/s (Golde 1975),valor superior al que se mide en los laboratorios.

7International Conference on Lightning Protection - ICLP


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Los parmetros caractersticos del fenmeno natural (corriente, velocidad,...), son muysuperiores a los que se miden en el laboratorio. Los valores del campo elctrico en el queevolucionan las descargas del laboratorio (del orden de 200 kV/m), y del medio natural(del orden de 40kV/m), conducen a modos de propagacin diferentes.

Las consideraciones anteriores y el estudio de los modelos numricos de la descarga ascendentepositiva llevados a cabo por lNERA en colaboracin con la Universidad de Padua, ha permitidoestablecer un nuevo criterio para el cebado de la descarga ascendente positiva, con base en elconcepto que l llama campo de estabilizacin, y que lo considera como el valor mnimo del campoelctrico ambiente (Eest) que hay que alcanzar para que la descarga lder ascendente se propaguede manera estable desde una estructura con la forma de un semielipsoide de altura H y radio decurvatura Re, situada en un campo uniforme Eovertical, de manera que si:

Eo< Eest la descarga avanza de manera inestable (avanza algunos pasos - noprogresa)

Eo> Eest la descarga avanza de manera estable (la velocidad de propagacin de ladescarga compensa el efecto de la carga espacial depositada en la regin corona de lacabeza, estando este equilibrio dinmico poco influenciado por el valor del camposuperficial ionizante existente en el extremo del electrodo (EPC), valor que se obtiene apartir de la ley de Peek y del coeficiente amplificador del campo (kamp), en el extremo de laestructura).

Para estructuras semielpticas con radios de curvatura pequeos (hasta valores del ordende 30 cm), el campo de estabilizacin permanece prcticamente constante, y superior alcampo crtico ambiente EPC, por lo que se produce la primera descarga corona pero ladescarga no se desarrolla.

Para estructuras semielpticas con radios de curvatura mayores, el campo ambientenecesario para la formacin del primer corona es superior al de estabilizacin, por lo que laformacin de la descarga de corona va asociada a una descarga estable.

Investigacin In situ

Bajo este ttulo, los autores [23] han presentado un conjunto de pruebas llevadas a cabo en laestacin de Cachoeira Paulista, situada a media distancia entre Sao Paulo y Ro de Janeiro,

construida en el centro del INPE (Instituto Nacional de Pesquisas Espacial), a 625 m de altitud, concoordenadas geogrficas: S 22 41,2: W 44 59,0 y con un nivel ceruneo entre 100 y 110.

Los ensayos se han llevado a cabo sobre cuatro tipos pararrayos diferentes:

Un pararrayos de punta aguda tipo Franklin (r


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Hay que prever cuatro aos de experimentacin para establecer conclusiones definitivas.

Recomendaciones y Conclusiones

Una exhaustiva revisin bibliogrfica sobre los terminales ESE fue llevada a cabo por el NationalInstitute of Standards and Technologyde los Estados Unidos para la NFPA en 1999 y publicadopor la IEEE en Febrero de 2000, [9]. Considerando la dificultad del estudio, los autores del estudiopresentaron las siguientes recomendaciones, que pueden ser muy relevantes para los trabajos deinvestigacin que realizamos en Colombia:

Dar prioridad al desarrollo de nuevos mtodos para el clculo o determinacin de ladistancia de impacto y las zonas de proteccin contra rayos relacionadas que son mssignificativas desde un punto de vista estadstico.

Continuar y extender las pruebas de laboratorio para investigar los efectos de losparmetros relevantes como la polaridad, carga espacial, viento y humedad sobre lainiciacin probabilstica y propagacin entre los terminales ESE y los pararrayos tipoFranklin.

Continuar las observaciones de rayos naturales en y alrededor de sitios de prueba condiferentes terminales donde la frecuencia de las descargas elctricas atmosfricas seanmuy altas.

Compilar, analizar y centralizar los datos estadsticos existentes y nuevos sobre eldesarrollo de la descarga elctrica atmosfrica en diferentes sitios y de diferentes fuentes.

Los terminales tipo ESE tambin han sido analizados recientemente por el Comit Cientfico deICLP y sus miembros. Adems, varios artculos y discusiones se han llevado a cabo en las ltimasconferencias de ICLP.

Con base en lo anterior y los ltimos resultados en pruebas de campo, ICLP emiti un conceptosobre la inclusin de los terminales tipo ESE en la revisin de la norma NFPA 781.

1. La funcin sobre la cual se basa un terminal tipo ESE nunca ha sido probada bajo condicionesde rayos naturales. Investigadores independientes no han sido capaces de demostrar lasventajas esperadas determinadas por medio de pruebas de laboratorio. Por el contrario, elterminal tipo ESE y la varilla tipo Franklin no muestran mayores diferencias en la distancia deproteccin, ni diferencia en el nmero de impactos de rayo a la varilla Franklin y al terminal tipoESE en pruebas comparativas.

2. El borrador de norma NFPA 781 no distingue claramente entre los diferentes tipos dedescargas: streamer, lder fro y lder clido y si las descargas son estables (auto sostenidas)o no (se extinguen). Esto es muy importante, pues cada uno de los tipos de descarga tiene suspropiedades en cuanto a corriente, campo elctrico, velocidad, etc. Adems, para ladeterminacin del tiempo de inicio del lder ascendente en el laboratorio, respecto a pruebasde diferentes tipos de varillas, las dimensiones mnimas especificadas son tan pequeas que

es difcil conocer el desarrollo del inicio del streameren un lder fro. Finalmente, el borrador denorma no considera que relacin existe entre el streamero disrupcin del inicio del lder fro yel inici de un lder clido cuando ellos se desarrollan en condiciones de descargas elctricasatmosfricas naturales.

3. Las pruebas de laboratorio realizadas no consideran la gran diferencia en escala con lasdimensiones reales de la naturaleza. Debido a estas diferencias, las diferentes condiciones decampo en un laboratorio de Alta Tensin contra las condiciones de un rayo natural, y debido ala naturaleza no lineal de los diferentes fenmenos de la descarga, es imposible en el


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laboratorio determinar el desarrollo de un lder clido estable, como se desarrolla bajocondiciones naturales.

4. Considerando la informacin arriba mencionada y considerando que la proteccin contra rayoses asunto de vital importancia para la seguridad, es evidente que el concepto de los terminalesno convencionales tipo ESE es inadecuado para dar seguridad tal como pretenda definirlo lanorma NFPA 781.

Como consecuencia de lo anterior ICLP recomend al Comit Tcnico de Proteccin contra Rayosde la NFPA, a finales de 1999, la suspensin de considerar los dispositivos no convencionales tipoESE en el borrador de norma como ya haba sido hecho una vez hace unos aos por las mismasrazones.

En conclusin, y de acuerdo con la teora y los resultados de campo y laboratorio respecto a lacomparacin entre el pararrayos tipo Franklin y los modernos Dispositivos No Convencionales deProteccin contra Rayos podemos asegurar que por ahora, el invento de Benjamn Franklin siguevigente despus de 250 aos.

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