En esta oportunidad quisiera compartir una breve descripción del fenómeno de formación de descargas atmosféricas. Una descarga atmosférica es aquel fenómeno que proviene de la diferencia de potencial entre una formación de nubes que tiene una carga eléctrica diferente a la carga eléctrica de algún cuerpo elevado en la superficie terrestre, esta diferencia de potencial genera una ionización del medio aislante, en este caso del aire, provocando la rotura de la rigidez dieléctrica del espacio entre las nubes y el cuerpo en la superficie; y consecuentemente promoviendo la circulación de una corriente eléctrica.
Todo sistema eléctrico de alta tensión debe estar protegido a las consecuencias de las descargas atmosféricas, que no son otras sino las sobretensiones transitorias; las cuales pueden afectar a una subestación a través de las líneas de transmisión o descargas directas sobre los equipos de patio de la subestación, es importante acotar que los equipos de alta tensión en la subestación, dentro de sus especificaciones disponen de un nivel determinado de protección contra sobretensiones del tipo descarga atmosférica la cual es definida como tensión soportada asignada al impulso tipo rayo.
Recordemos que la rigidez dieléctrica (kV/mm) de un medio aislante se puede definir como la máxima tensión necesaria para que este pierda dicha propiedad, y pase a comportarse como conductor. Ahora bien, la diferencia de potencial (kV) necesaria para que se rompa el medio aislante entre dos elementos con distinta carga eléctrica, separados por un medio aislante, depende de la magnitud de la diferencia de potencial o sobretensión, y de la distancia entre los dos elementos, a menor distancia menor diferencia de potencia es necesaria para provocar la rotura de la rigidez dieléctrica, es aquí donde se evidencia que un objeto elevado y conectado a tierra ofrece protección contra descargas atmosféricas directas a objetos colocados debajo de él.
La trayectoria que recorre un rayo en aire se conoce como la guía de un rayo, esta se origina en una nube cargada (positiva o negativa), la misma avanza en forma de pasos de longitud variable que pueden ir de 10 a 80 m y en un tiempo por paso de 50µs, cada paso tiene una dirección variable de acuerdo con las condiciones atmosféricas.
Solo cuando la punta de la guía del rayo llega a una distancia igual a la llamada “distancia de descarga” de un elemento de polaridad contraria, continua avanzando en su dirección. Posteriormente se forma una descarga eléctrica desde el objeto, dirigida al encuentro de la guía del rayo.
Una vez la guía del rayo ha tocado el objeto, se establece una ruta ionizada entre la nube y el objeto, por la que circula una corriente hacía la nube (corriente de retorno) que intenta neutralizar la carga de la misma, y provoca la circulación de corrientes en el interior de la nube para alcanzar el equilibrio.
A continuación se muestra una ilustración con los estados básicos para la formación de una descarga atmosférica.
Para el diseño de sistema de protección contra descargas atmosféricas es necesario conocer el nivel isoceráunico del área, el cual se define como el número promedio de días al año en los que se presentas tormentas.
A continuación se muestra un mapa con las curvas de nivel isoceraunico para la República Argentina extraída de la norma IRAM 2184-1-1.
Actualmente se disponen de tres métodos para el diseño de sistemas de protección contra descargas atmosféricas o apantallamiento de subestaciones:
- Método clásico de ángulos fijos.
- Método clásico de curvas empíricas.
- Método electro geométrico.
Referencias:
IEEE Std 998 – Guide for Direct Lightning Stroke Shielding of Substations.
IRAM 2184-1 – 1 Protección de estructuras contra descargas atmosféricas.
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