PARÁMETROS CARACTERÍSTICOS DE LAS DESCARGAS ATMOSFÉRICAS.

El rayo suele seguir un camino sinuoso hasta llegar al suelo, buscando siempre la mínima resistencia. El vapor de agua en la atmósfera viene entonces a facilitar el transito de la descarga.

En su camino, el rayo calienta el aire a temperaturas cercanas a los 30.000 ºC (algo más que la temperatura de la superficie del Sol), haciendole estallar produciendo el sonido que conocemos como ‘trueno’.

Ya hemos comentado que cuando el potencial eléctrico entre nube y tierra alcanza un cierto valor, de alrededor de 10.000 V, el aire deja de comportarse como aislante y comienza a hacerlo como conductor, siendo entonces atravesado, durante una fracción de segundo, por una enorme descarga eléctrica de unos 20.000 A y que en ocasiones puede alcanzar valores de hasta 200.000 A.

Realmente, cada rayo está compuesto por una secuencia de entre 2 y 5 descargas individuales con una duración de 20 a 50 mseg. La energía media por cada descarga es de uno 3.000 J (equivalente a una explosión de un kilo de dinamita).

La enorme cantidad de energía que libera un rayo hace que los mayores efectos del rayo sean los incendios y electrocuciones debidos a impactos directos. Pero, tal y como veremos, no son menos importantes los efectos interferentes en equipos eléctricos y electrónicos.

Existen más de 15 parámetros relacionados con las descargas eléctricas atmosféricas. De entre ellos, los más relevantes son:

· Nivel ceráunico: Es el número de días del año en los que, al menos, es oído un trueno. En algunos zonas del planeta el nivel ceráunico puede llegar hasta 300.

· Densidad de rayos a tierra (DRT): es el número de rayos a tierra por kilómetro cuadrado al año. Es un parámetro complementario al nivel ceráunico que permite cuantificar la incidencia de rayos en la zona.

· Polaridad del rayo: signo de las cargas transferidas. Normalmente son electrones, pero en algunos casos pueden transferirse cargas positivas.

· Impedancia del canal: Se pueden considerar a la nube y a la tierra como placas de un condensador que se descargan a través de un canal con una impedancia de unos 5 kW , de carácter inductivo debido a que la formación del canal requiere de un cierto instante de tiempo.

· Corriente de pico: es, junto al gradiente máximo de corriente del rayo, el parámetro más importante de una descarga. Resulta importante para el diseño de protección contra rayos.

· Gradiente máximo de corriente del rayo: (di/dt)max, se utiliza para el cálculo de tensiones electromagnéticas inducidas que se presentan en los lazos metálicos, abiertos o cerrados, en cualquier instalación y son las causantes de daños de equipos electrónicos (televisores, teléfonos, equipos de comunicación, etc.).

· Cuadrado de la corriente de impulso del rayo: este parámetro se utiliza para el cálculo del calentamiento y los esfuerzos electromecánicos al circular la corriente del rayo por conductores metálicos de las protecciones primarias.

Los valores máximos que llegar a alcanzar algunos de estos parámetros quedan reflejados en la siguiente tabla:

Intensidad de pico = I_pico = 100 kA

Gradiente máximo de subida = (di/dt)_max=100 KA/m s

Energía util = ò i²(t) dt = 5KA²s

La probabilidad de destrucción debida a un rayo es una combinación de la localización geográfica, la estructura geológica del suelo y la situación topográfica. Así, los sistemas los equipos localizados en alta montaña tienen mayor probabilidad de sufrir daños por rayos que aquellos situados en los valles.

Las condiciones eléctricas del terreno resultan fundamentales. En aquellas zonas en las que la conductividad de la tierra es mala, por ejemplo en montaña, la corriente del rayo puede seguir los cursos del agua, los raíles del ferrocarril y los cables eléctricos. Entre las instalaciones de mayor riesgos están los repetidores de TV y radio, así como los ferrocarriles de montaña y teleféricos, ya que a menudo sus cables y raíles proporcionan el mejor camino de conducción entre el pico de una montaña (poco conductora) hasta el suelo del valle (mejor conductor). La siguiente tabla muestra la diferencia de potencial en el suelo (tierra) debida a un rayo típico de 100 kA para una resistividad del suelo de 1kW /m a distintas distancias del punto de caída.

Distancia (metros)	Diferencia de potencial (Voltios)
10	796 x 10^3
50	53.1 x10^3
100	10.5 x10^3
200	3.8 x10^3
400	970
700	320
1000	158
2000	40
5000	6
10000	2

Dado que la conductividad del suelo tiene valores finitos, la corriente de descarga se distribuye por debajo del suelo en todas las direcciones, con zonas de alta conductividad que toman la mayor parte de la corriente y las transporta a largas distancias hasta que se establece un equilibrio de potenciales. Este efecto reduce las sobretensiones ya que a mayor conductividad, menor sobretensión se produce en el suelo aunque mayor es la distancia a la que son evidentes sus efectos electromagnéticos.

Fig. Campo magnético creado por un rayo al impactar sobre la tierra.

Así, podemos decir que los efectos de los rayos son, principalmente:

a. La caida directa de un rayo puede producir en nuestro sistema incendios, y electrocuciones si no se cuenta con las oportunas protecciones.

b. La caída de un rayo directo sobre una línea de energía o de comunicaciones crea una onda de corriente que se propaga por el cable en ambas direcciones.

c. Un rayo sobre el terreno provoca una elevación enorme del potencial de tierra en una zona de algunos kilómetros, induciendo sobretensiones importantes en los cables subterráneos y provocando la elevación de la tensión de las conexiones a tierra.

d. Un rayo que cae en un pararrayos aumenta el potencial de tierra cuando dirige su corriente a tierra. Como se verá mas adelate, la disposición de una superficie equipotencial con conductores enterrados alrededor y por debajo del edificio conectando entre sí toda la estructura, cañerías y elementos metálicos del edificio reduce esa elevación de potencial.

Se ha comentado que los rayos pueden tener efectos muy perjudiciales si no se toman las adecuadas medidas de protección. Pero, aunque sería deseable el proteger nuestro sistema contra esos efectos, resulta económicamente inviable en la practica el proteger nuestro equipo contra las elevadas intensidades de corriente que se producirían en el caso de producirse un imacto directo. Si tenemos que solo el 5% de las descargas atmosféricas producen un impacto directo, ante las cuales hacen falta elevadas inversiones en sistemas de protección, una solución de compromiso consiste en diseñar nuestro sistema para que soporte los valores de corriente producidos en el 95% de las descargas restantes, y que tienen unos valores mucho más reducidos, con lo que se disminuyen notablemente los costes de inversion en la protección.

De esta forma, si se desea una protección completa, esta debería actuar ante una descarga de 100 KA, mientras que en un equipo que sea permisible el fallo deberá soportar corriente de pico de 6 A. La elección de un tipo de protección u otra dependerá del coste del sistema de protección y de las pérdidas que se tendrían si no se usan. En la siguiente tabla se muestra los valores que deberá soporta nuestro sistema de protección para unos niveles de seguridad medio y extremos:

Parámetro	Medio	Extremo
Corriente de pico (KA)	0 a 25	230
Gradiente de corriente (KA/m s)	8	50
Duración del rayo (seg.)	0.1 a 0.3	1.5
Duración de cada descarga (ms)	0.5 a 3	400
Intervalo de tiempo entre impulsos (ms)	30 a 40	500
Tiempo hasta el valor de pico (m s)	1 a 4	10
Número de descargas en un rayo	2 a 4	34