Descargas Afmosfericas

DESCARGA ATMOSFÉRICA

La descarga atmosférica conocida como rayo, es la igualación violenta de cargas de un campo eléctrico que se ha creado entre una nube y la tierra o, entre nubes

Hacia la mitad del siglo XVIII Benjamín Franklin demostró por primera vez la naturaleza eléctrica del rayo. Elevando una cometa en medio de una tormenta eléctrica y conduciendo una descarga hasta un condensador (botella de Leyden), demostró que había almacenado algo que presentaba el mismo comportamiento que las cargas eléctricas (que se generaban en esa época por fricción). Simultáneamente en otros lugares del mundo se realizaban investigaciones similares como la del científico ruso Giorgi W. Richman, quien pereció electrocutado en una de sus pruebas. El fenómeno rayo está estudiado seriamente desde hace más de un siglo, habiéndose llegado a determinar y medir, en los últimos treinta años, con un alto grado de minuciosidad, las características de las descargas eléctricas en la atmósfera. En 1905 se reportan ya estudios fotográficos de descargas atmosféricas realizadas con una cámara móvil. Vienen luego proyectos donde se miden gradientes causados por la carga de las nubes, se utilizan el klidonógrafo, el oscilógrafo y muchos otros medios para un estudio detallado de la descarga atmosférica y su efecto en los sistemas de potencia eléctrica. Con la construcción en los años veinte de las primeras líneas a 220 kV, se empieza a considerar importante la realización de mapas isoceráunicos, se van perfeccionando cada vez más las metodologías de recolección y procesamiento de datos de salidas de las líneas y se va adquiriendo una buena comprensión del efecto de las descargas atmosféricas sobre las líneas.

CARGA ELÉCTRICA EN LAS NUBES Las descargas atmosféricas se presentan cuando se forman grandes concentraciones de carga eléctrica en las capas de la atmósfera inmediatamente inferiores a la estratosfera (alturas entre 5 y 12Km). Al aumentar la carga se forman potenciales de hasta 300 MV entre nubes y tierra. La descarga se forma en nubes de tormenta del tipo cumulonimbos. Estas se caracterizan por estar formadas por columnas de aire caliente que ascienden por convección, cuando la atmósfera se hace inestable, debido a grandes gradientes de temperatura.

La carga eléctrica se forma al separar estas fuertes corrientes de aire, las partículas de agua y hielo en partículas ionizadas La carga se concentra en un disco de un diámetro de 10 Km. y una altura aproximada de 5 km. Esta carga es en la mayoría de los casos predominantemente negativa. Se empieza a presentar ionización del aire y por lo tanto, se van formando caminos para la conducción de la carga hacia el punto de potencial cero que es la tierra.

EVOLUCIÓN DE LA DESCARGA

El camino de ionización que se inicia, lleva un primer flujo de carga hacia capas más bajas. Este primer flujo es llamado el líder. El líder desciende unos 50 a 100m en un microsegundo, detiene su marcha unos 50 microsegundos mientras se acumula la carga transferida desde la nube y se forma un nuevo camino ionizado que va a crear un nuevo avance del líder .Estos avances y reposos de este primer flujo de carga, hacen que se le conozca como el líder escalonado. Este sigue avanzando hasta llegar cerca de los objetos y estructuras más altos, los cuales empiezan a emitir chispas que van al encuentro de líder.

Al cerrarse eléctricamente el camino a tierra, la carga se desplaza a una velocidad vertiginosa, produciéndose la descarga de retorno de gran luminosidad, etapa del rayo considerada como la más energética de todas. Estos son los líderes rápidos que al golpear tierra producen descargas de retorno menos energéticas que la primera. En un rayo es típico que existan tres o cuatro líderes, pueden existir hasta 20 ó 30. La descarga de una nube puede generar nuevas reparticiones de carga en la atmósfera, presentándose descargas horizontales entre varias nubes de tormenta. Es posible por lo tanto, que se desencadene otra descarga atmosférica de similar ubicación a la anterior, que utilice los mismos caminos ionizados que dejó la primera.

MEDICIÓN DE LAS DESCARGAS ATMOSFÉRICAS Son incontables las herramientas que se han utilizado para medir las corrientes y voltajes de los rayos, desde los usados en 1910 y 1930 como el klidonógrafo, el oscilógrafo, la cámara de Boys, los medidores de corriente de cresta (magnetic links), hasta los sofisticados equipos utilizados por el proyecto francés del Massif Central de producción y medición de rayos “artificiales”. Allí se emplean magnetic links, registradores de campo eléctrico y magnético cada uno con varios osciloscopios y equipo fotográfico integrado, goniómetro para localizar relámpagos; contadores CIGRE de relámpagos; medidores del campo de tierra (field mills and radioactive probe electrometer) y equipo fotográfico y acústico.

NÚMERO DE DESCARGAS EN UNA LÍNEA

.-El número de descargas a una línea para un nivel

DISTANCIA DE IMPACTO

Si el líder escalonado se acerca hasta una distancia S del conductor o del cable de guarda, podrá vencer la rigidez dieléctrica del aire y golpear sobre el elemento en mención. Por eso, de lo que se trata, es que el rayo se acerque primero al cable de guarda o a tierra, antes que al conductor. Esta distancia de impacto es mayor mientras la carga que ha descendido hasta la punta del líder sea mayor. Esta carga es la que produce una mayor o menor corriente en el rayo. Existen varias fórmulas empíricas basadas en diferentes mediciones. En [8] se presenta la siguiente expresión:

S = 4.9 I

S: Distancia de impacto en metros

I: Corriente de rayo en KA

El conductor debe ser protegido de corrientes mayores o iguales a Ic. Siendo Ic la corriente de la descarga que al caer sobre el cable de guarda producirá un voltaje igual al BIL de la cadena de aisladores. De tal forma que para el apantallamiento efectivo la distancia de impacto S de calcula con base en la corriente crítica Ic:

Ic = 2 BIL/Z0

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