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RAYOS
UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA SEDE MEDELLÍN













Introducción


Dado que el rayo es un fenómeno eléctrico atmosférico de muy alta energía, que hasta el momento no se puede controlar ni almacenar; el mundo científico ha buscado entenderlo y encontrar la manera de proteger a las personas y a todos los equipos eléctricos y electrónicos susceptibles a sus efectos.


Existe un número alto de incidentes producidos por rayos que afectan a las personas y a los sistemas eléctricos; por ejemplo, en Estados Unidos se reportan alrededor de 300 de estos accidentes, de los cuales 40 pueden ser fatales. Teniendo en cuenta que la población estadounidense es cercana a 300 millones de habitantes, se puede deducir que aproximadamente una persona por cada millón de habitantes es impactada por un rayo (Ver: http://www.lightningsafety.noaa.gov/medical.htm.).


En Colombia no existe una estadística confiable sobre el número de esos incidentes; sin embargo, un análisis de noticias en medios televisivos y escritos permite calcular que, teniendo una población de 40 millones de habitantes, una persona de cada 40.000 es afectada por un rayo (Fuente: www.scite.unal.edu.co ).


Algunos estudios estiman que los rayos son los causantes del 50% de las perturbaciones electromagnéticas que afectan el funcionamiento de los sistemas de distribución de energía eléctrica, y entre el 70 y el 80% de todos los problemas de la calidad de energía eléctrica (Gómez y Morcos, 2002). Adicionalmente, investigaciones realizadas en Colombia han mostrado que gran parte de las fallas de transformadores instalados en estos sistemas, principalmente en zonas rurales, provienen de los rayos, y los costos en las empresas de distribución colombiana se estimaron en más de 6 millones de dólares en 1999 (Rodríguez, 1999).


Por los motivos antes enunciados es que en Colombia se viene trabajando, desde hace más de treinta años, desde el grupo de investigación PAAS (www.paas.unal.edu.co), liderado por el profesor Horacio Torres, en el estudio de los rayos y en los sistemas de protección contra ellos. Los estudios realizados se basan principalmente en tres aspectos: medición y caracterización de la actividad eléctrica atmosférica en Colombia, modelado del rayo y su interacción con los sistemas eléctricos, y sistemas de protección contra rayos.


Medición de la actividad de los rayos


En Colombia, gracias al apoyo de la Universidad Nacional de Colombia, Colciencias y empresas como ISA, EEB, Codensa, Ecopetrol, CHEC, Segeléctrica y Keraunos, ha sido posible la medición, caracterización y análisis de los parámetros de los rayos en el país. A continuación se describen los sistemas usados y desarrollados para la detección de nubes de tormenta y la localización de rayos.


Sistemas de detección de tormentas eléctricas


En el siglo XX, en el mundo se desarrollaron diferentes sistemas para la detección y observación de tormentas. Uno de los equipos que permite monitorear la evolución de una tormenta desde su fase inicial hasta su fase final es el denominado "molino de campo eléctrico". Este dispositivo, compuesto por una placa metálica plana, una hélice y un sistema de adquisición de datos, permite medir el campo eléctrico estático registrado en el ambiente.


En condiciones de buen tiempo, es decir, sin la presencia de nubes de tormenta, el valor de campo eléctrico en el suelo puede variar entre 100 y 200V/m, mientras que en la fase tormentosa este valor puede superar los 10.000V/m.


En los últimos diez años, el grupo PAAS ha investigado el tema y ha logrado construir un molino de campo eléctrico (desarrollado por Daniel Aranguren Fino, miembro del grupo de investigación PAAS-UN) que permite monitorear las fases de evolución de una tormenta eléctrica (inicio, fase activa y cese) para diferentes sitios en Colombia (Sistema Colombiano de Información de Tormentas, www.scite.unal.edu.co). Esta información ha sido utilizada para desarrollar algoritmos que permitan emitir eficientemente alarmas de tormenta.


Sistemas de localización de rayos


Cuando un rayo impacta algún objeto en el suelo (lo que se llama técnicamente rayo nube-tierra) o se presenta dentro de una nube de tormenta (rayo nube-nube) (Torres Sánchez, 2004), una gran cantidad de corriente circula por su canal, lo que constituye una de las causas del efecto luminoso de los rayos.


Esta corriente transforma al rayo en una fuente de emisión de ondas de radio que pueden ser detectadas por las antenas de diferentes aparatos: radios, televisores y antenas en general. Los sistemas de localización de rayos son un conjunto de equipos formado por antenas especialmente diseñadas para detectarlos, y por equipos electrónicos capaces de calcular el lugar en el cual ocurrió el impacto de un rayo de una manera muy aproximada. El error típico de estos sistemas es de alrededor de 500 m (Vernon, 2008); esto quiere decir que, una vez calculada su posición, el rayo realmente pudo haber impactado en cualquier lugar en un radio de 500 m alrededor de este punto, lo que se considera un error muy bajo en la actualidad.


Las ondas de radio provenientes del rayo viajan hasta llegar a cada una de las antenas que forman el sistema de localización; en su viaje, estas ondas se distorsionan por la presencia de montañas, edificios u otros obstáculos. Al llegar a cada una de las antenas, estas procesan la información y determinan si la señal que están recibiendo proviene de un rayo o de algún otro tipo de fuente; afortunadamente, las señales de los rayos tienen una forma particular que permite identificarlas.


Una vez procesada la información, cada antena envía sus resultados a un computador llamado "procesador central", el cual reúne la información de todas las antenas del sistema y finalmente calcula la posición aproximada del rayo mediante un algoritmo matemático.


Para localizar un rayo, las antenas de estos sistemas se deben instalar en diferentes puntos del país, de tal manera que cubran un área importante de su territorio. En Colombia existen dos de estos sistemas, uno de ellos es operado por la empresa Interconexión Eléctrica S.A –ISA ESP (www.isa.com.co) y el otro por la empresa Keraunos S.A.S (keraunos.co). Los dos sistemas están formados por tecnologías similares.


Los sistemas de localización de rayos funcionan en tiempo real; esto quiere decir que el rayo es localizado en el mismo instante en que ocurre, y la información es almacenada en bases de datos en unos pocos segundos.


Los sistemas de localización estiman no solo la posición de los rayos, sino además algunos de sus parámetros eléctricos de interés. Por ejemplo, calculan la corriente que circuló por el rayo y pueden inclusive estimar la forma en la cual esta corriente varió en tiempos muy cortos, del orden de las millonésimas de segundo.


Parámetros de los rayos


Al observar la actividad de los rayos en una región (por ejemplo en la Región Andina de Colombia) y por un periodo determinado (por ejemplo durante un año), se llega a una conclusión importante: la actividad de los rayos no ocurre aleatoriamente en una región, sino que se concentra más en ciertos puntos que en otros. Esto se debe, entre otros factores, a las condiciones geográficas de un país y al comportamiento de las temporadas de verano y lluvia. Además, se llega a una conclusión más relevante: año tras año, la actividad de los rayos en estos puntos de mayor concentración cambia: puede aumentar o puede disminuir (Torres, 2010).


Para el caso de Colombia, la variación de la actividad de los rayos se rige por el desplazamiento de la llamada Zona de Confluencia Intertropical (ITCZ por sus siglas en inglés), región en la que confluyen los vientos alisios de noreste y sureste, provocando un aumento en la actividad de los rayos. En enero y febrero esta confluencia se presenta en el sur del país, y se desplaza hacia la región central en los meses de abril y mayo. El recorrido ascendente continúa hacia el norte del país en julio y agosto, regresando a la zona central durante octubre y noviembre en su recorrido hacia el sur, para iniciar un nuevo ciclo.


De ahí que los meses de mayo y octubre son los de mayor cantidad de tormentas eléctricas en la región central del país, mientras que en los extremos sur y norte la actividad es alta en solo una época del año.


Desde el punto de vista de la ingeniería, es muy importante cuantificar la actividad de los rayos en una región específica del país. Si resulta muy alta, las personas y los equipos que ellas utilizan estarían en peligro de sufrir daños por el impacto de los rayos (por ejemplo, en un hospital sería muy peligroso un corte de energía eléctrica). Se deben tomar todas las medidas de protección necesarias para que las personas y los equipos que ellas utilizan en su vida cotidiana no sufran daños considerables.


Para cuantificar la actividad de rayos en un país, se utiliza una magnitud conocida como la densidad de rayos a tierra (o técnicamente, densidad de descargas eléctricas atmosféricas a tierra, DDT (Norma Técnica Colombiana – NTC4552. Protección contra rayos)). Este parámetro se calcula dividiendo inicialmente la región en una cuadrícula.


Una vez se divide la región, se cuenta el número de rayos que impactaron en cada cuadrícula en un año. Al ser expresado en unidades de número de rayos por kilómetro cuadrado ([#rayos/(km2año)], este número determina la densidad de rayos nube-tierra en cada cuadrícula.


Otro de los parámetros importantes es el valor de la corriente que circuló por el canal de todos los rayos que impactaron en cada cuadrícula.

Es posible concluir entonces que en Colombia existen regiones donde la actividad de los rayos es alta, con una corriente media del orden de los miles de amperios. Debido a esto, Colombia ha sido catalogada como un país donde la actividad de los rayos es de las más intensas del mundo.


Como podemos observar, nuestro país es de los más tormentosos del mundo, junto con países ubicados cerca de la línea del ecuador. Los países europeos, algunos asiáticos, y otros países de América (tanto del Norte como del Sur), no son tan tormentosos como el nuestro.


Variación de los parámetros de los rayos


Si observamos la actividad de los rayos en una ciudad o en una región durante varios años, podemos llegar a una conclusión también interesante: en cada año, la actividad es diferente. Por ejemplo, al calcular la actividad de los rayos en la ciudad de Bogotá durante varios años (Torres, 2010).


En esta figura, la gráfica suave corresponde a un ajuste de la función punteada. Como se puede ver, la actividad en esta región, como en cualquier región del planeta, es cíclica. Debido a esto, considerar la actividad de los rayos como algo estático en el espacio y en el tiempo es un error a la hora de caracterizarla.


Interacción de los rayos con los sistemas eléctricos


Los rayos afectan enormemente las instalaciones eléctricas, ya sea por impactos directos o por impactos cercanos, incluso si impactan a varios cientos de metros. Al impactar en cercanías de una línea de distribución, la corriente del rayo (i(z,t)) produce una perturbación en el medio, conocida como "onda de campo electromagnético" (E, B), de forma muy similar a como las antenas de una emisora de radio envían ondas de radio en todas las direcciones, pero en este caso con una energía muy alta. Al alcanzar las líneas de distribución, estas se comportan como antenas y captan parte de esta energía a través de un fenómeno que se conoce como " inducción electromagnética", de forma muy similar a como un radio en nuestras casas capta las ondas de una emisora. La interacción de estas inducciones con la línea genera incrementos muy rápidos de los niveles de tensión (V) y corriente (I) del sistema, y esto puede causar daños en los equipos eléctricos conectados.


Para conocer y calcular la interacción de los rayos con los sistemas eléctricos, en el grupo de investigación PAAS se han realizado dos actividades principales: la primera está relacionada con el modelado matemático de los rayos a partir de las conocidas ecuaciones de Maxwell (ecuaciones que describen el comportamiento de los campos eléctricos y magnéticos. Lectura sugerida: Carl Sagan, El mundo y sus demonios, Capítulo 23: Maxwell y los bichos raros) y la segunda consiste en la medición de los efectos en los sistemas eléctricos.


Con el estudio teórico de este fenómeno se han podido desarrollar algoritmos que permiten representar el campo electromagnético producido por los rayos y su interacción con los sistemas eléctricos. Esto ha permitido entender y predecir el comportamiento de los equipos, ayudando a desarrollar criterios para protegerlos. Uno de estos algoritmos es el software Yaluk-Draw (Pérez, 2010), que permite modelar las tensiones inducidas por los rayos en los sistemas de distribución.


Las mediciones de este fenómeno se han realizado en sistemas eléctricos reales, gracias al apoyo de empresas como Codensa, Ecopetrol y CHEC (Centrales Hidroeléctricas de Caldas), de modo que se han encontrado características que permiten corroborar los estudios teóricos.


Sistemas de protección contra rayos


A partir de estos estudios, en Colombia se han generado una serie de normas técnicas a través del Instituto de Normas Técnicas Colombianas, Icontec, con el objetivo de proteger a las estructuras de los rayos. Estas normas, aunque son de uso voluntario, se han venido utilizando para diseñar edificaciones nuevas, teniendo en cuenta que el reglamento de instalaciones eléctricas RETIE (Reglamento Técnico de Instalaciones Eléctricas. Ministerio de Minas y Energía, Colombia. 2012) obliga a realizar un análisis de riesgo de daño por rayos para poder determinar si se debe instalar un sistema de protección a la estructura y establecer sus especificaciones técnicas.


Actualmente, la norma de protección NTC4552 contiene muchos de los aportes realizados por el grupo de investigación PAAS. El concepto principal en un sistema de protección contra rayos está basado en una "protección integral", compuesta de cuatro partes: el sistema de protección externo, el sistema de protección interno, el sistema de alarma de riesgo de daño por rayos y la guía de seguridad personal.


Guía de seguridad personal


Esta guía describe de manera didáctica las acciones que deben tomar las personas que se encuentran dentro o fuera de una edificación en caso de una tormenta eléctrica. Actualmente, la Universidad Nacional de Colombia, sede Bogotá, cuenta con una guía de protección, la cual se puede consultar en www.paas.unal.edu.co.


Protección externa


Busca canalizar a tierra, de manera segura, la energía de un rayo, minimizando el riesgo de daño para la estructura, los equipos o las personas dentro de ella. Esta protección se compone de tres elementos: las puntas captadoras, las bajantes y el sistema de puesta a tierra, con material que permita una fácil conducción de la electricidad (ver figura 15).


Protección interna


Se utiliza para disminuir los riesgos asociados a los eventos derivados de la energía del rayo que entra a la edificación, ya sea por conducción a través de los servicios domiciliarios o a través del aire, propagándose como ondas electromagnéticas. Este sistema se compone entonces de dispositivos de protección contra sobre tensiones (DPS), que buscan desviar la energía que entra a la estructura a través de cualquier servicio que utilice materiales conductores, como los cables eléctricos, los cables de comunicaciones o las tuberías metálicas. Adicionalmente se utilizan mallas conductoras, que reducen el campo electromagnético producido por los rayos.


El sistema de alarma


Según la norma europea EN50536, un sistema de alarma temprana de tormenta es "un sistema compuesto por detectores de tormenta capaz de monitorearla y algoritmos para elaborar alertas válidas, relacionadas con eventos asociados al rayo, para un sitio a proteger específico". Esta alerta temprana permite tomar acciones para minimizar el riesgo de incidentes por rayos.


Los primeros sistemas de alarma se basaron en la observación visual y auditiva de la tormenta, mediante la denominada regla 30/30. Esta regla consiste en generar una alarma si un trueno se escucha a menos de 30 segundos después de haber visto el relámpago de un rayo (destello luminoso) y se apaga si no se ha escuchado un trueno durante 30 minutos. Actualmente, las metodologías de alarma para detección temprana de tormentas están basadas en el monitoreo espacial y temporal de los impactos del rayo en tierra. La metodología más usada está basada en el método de las dos áreas: se escoge una zona interna, denominada zona de interés (AOC por sus siglas en inglés), y otra externa, denominada zona de alarma (WA por sus siglas en inglés), teniendo en cuenta que dentro de esta área se encuentra la estructura o punto de interés (PI). Luego de tener las dos áreas, con el monitoreo espacio-temporal de los rayos nube-tierra, se emite una alarma si al menos un rayo impacta dentro de la zona.


Algunas metodologías más avanzadas que se han desarrollado en el grupo de investigación combinan más de un criterio para tomar la decisión de emitir la alarma; para esto hay que tener algoritmos de seguimiento de la tormenta y mediciones de campo eléctrico estático, entre otros criterios. Estos criterios ya son usados por empresas creadas en Colombia y que utilizan la información sobre los rayos.





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