Pararrayos

En lo que más tarde se convertiría en los Estados Unidos , el conductor de pararrayos puntiagudo (sin conexión a tierra), también llamado atractor de rayos o varilla de Franklin , fue concebido por Benjamin Franklin en 1749 como parte de su innovadora exploración de la electricidad . ^{[ 3 ]} Aunque no fue el primero en sugerir una correlación entre la electricidad y los rayos, Franklin fue el primero en proponer un sistema viable para probar su hipótesis. ^{[ 4 ]} Franklin especuló que, con una varilla de hierro afilada en punta, «el fuego eléctrico, creo, sería atraído silenciosamente de una nube, antes de que pudiera acercarse lo suficiente como para impactar». Franklin especuló sobre los pararrayos durante varios años antes de su experimento con cometas . ^{[ 5 ]}

En el siglo XIX, el pararrayos se convirtió en un elemento decorativo. Los pararrayos se adornaban con esferas de vidrio ornamentales ^{[ 6 ]} (ahora muy apreciadas por los coleccionistas). El atractivo ornamental de estas esferas se ha utilizado en veletas . Sin embargo, la función principal de estas esferas es proporcionar evidencia de un rayo al romperse o desprenderse. Si después de una tormenta se descubre que falta una esfera o está rota, el propietario debe revisar el edificio, el pararrayos y el cable de tierra en busca de daños.

Ocasionalmente se utilizaban bolas de vidrio macizo en un método que supuestamente prevenía los rayos en barcos y otros objetos. La idea era que, al ser los objetos de vidrio no conductores, rara vez eran alcanzados por un rayo. Por lo tanto, según la teoría, debía haber algo en el vidrio que repeliera los rayos. De ahí que el mejor método para evitar que un rayo impactara en un barco de madera consistiera en enterrar una pequeña bola de vidrio macizo en la punta del mástil más alto. El comportamiento aleatorio de los rayos, sumado al sesgo de confirmación de los observadores , aseguró que el método ganara bastante credibilidad incluso después del desarrollo del pararrayos marino, poco después del trabajo inicial de Franklin.

Los primeros pararrayos en los barcos debían izarse cuando se preveía una tormenta eléctrica, y su tasa de éxito era baja. En 1820, William Snow Harris inventó un sistema eficaz para instalar protección contra rayos en los veleros de madera de la época, pero a pesar de las pruebas exitosas que comenzaron en 1830, la Marina Real Británica no adoptó el sistema hasta 1842 ^{[ 7 ]} , momento en el que la Marina Imperial Rusa ya lo había adoptado.

En la década de 1990, los "puntos de protección" fueron reemplazados según su diseño original cuando se restauró la Estatua de la Libertad en la cima del Capitolio de los Estados Unidos en Washington, D.C. ^{[ 2 ]} La estatua fue diseñada con múltiples dispositivos con puntas de platino. El Monumento a Washington también fue equipado con múltiples puntos de protección, ^{[ 8 ]} y la Estatua de la Libertad en el puerto de Nueva York recibe el impacto de un rayo, que es desviado a tierra.

La aguja de la Torre Inclinada de Nevyansk está coronada por una varilla metálica en forma de esfera dorada con púas y actúa como pararrayos. ^{[ 14 ]} Este pararrayos está conectado a tierra a través de la estructura de barras de refuerzo , que atraviesa todo el edificio.

La Torre de Nevyansk se construyó entre 1721 y 1745 por orden del industrial Akinfiy Demidov . Su construcción tuvo lugar 28 años antes del experimento y la explicación científica de Benjamin Franklin. ^{[ 15 ]} Sin embargo, se desconoce el verdadero propósito del techo metálico y las barras de refuerzo. ^{[ 16 ]}

La torre de la iglesia de muchas ciudades europeas, que solía ser la estructura más alta de la ciudad, era propensa a ser alcanzada por un rayo. Peter Ahlwardts ("Consideraciones razonables y teológicas sobre los truenos y los relámpagos", 1745) aconsejaba a quienes buscaban refugio de los rayos que fueran a cualquier lugar excepto dentro o alrededor de una iglesia. ^{[ 17 ]}

Existe un debate en curso sobre si una "máquina meteorológica", inventada por el sacerdote premonstratense Prokop Diviš y erigida en Brenditz (actualmente Přímětice, parte de Znojmo ), Moravia (actualmente República Checa ) en junio de 1754, puede considerarse una invención individual del pararrayos. Según sus teorías personales, el aparato de Diviš tenía como objetivo prevenir por completo las tormentas eléctricas privando constantemente al aire de su electricidad superflua. Sin embargo, el aparato estaba montado sobre un poste independiente y probablemente tenía una mejor conexión a tierra que los pararrayos de Franklin de la época, por lo que cumplía la función de un pararrayos. ^{[ 18 ]} Tras las protestas locales, Diviš tuvo que cesar sus experimentos meteorológicos alrededor de 1760.

Un pararrayos es un dispositivo, esencialmente un espacio de aire entre un cable eléctrico y tierra, que se utiliza en sistemas de energía eléctrica y de telecomunicaciones para proteger el aislamiento y los conductores del sistema de los efectos dañinos de los rayos. El pararrayos típico tiene un terminal de alta tensión y un terminal de tierra.

En telegrafía y telefonía , un pararrayos es un dispositivo que se coloca en el punto de entrada de los cables a una estructura para evitar daños a los equipos electrónicos y garantizar la seguridad de las personas cercanas. Las versiones más pequeñas de los pararrayos, también llamadas protectores contra sobretensiones , son dispositivos que se conectan entre cada conductor eléctrico de un sistema de alimentación o comunicaciones y la tierra. Ayudan a evitar que la corriente eléctrica o de señal normal fluya a tierra, pero proporcionan una vía por la que fluye la corriente de alta tensión de un rayo, evitando así los equipos conectados. Los pararrayos se utilizan para limitar el aumento de voltaje cuando una línea de comunicaciones o de alimentación es alcanzada por un rayo o se encuentra cerca de una zona afectada por él.

En los sistemas de transmisión eléctrica aérea , se pueden instalar uno o dos cables de tierra más delgados en la parte superior de los pilones, postes o torres que no se utilizan específicamente para enviar electricidad a través de la red. Estos conductores, a menudo denominados cables "estáticos", "piloto" o "de apantallamiento", están diseñados para servir como punto de terminación de rayos en lugar de las propias líneas de alta tensión. Su función es proteger los conductores de potencia primaria de las descargas atmosféricas .

Estos conductores se conectan a tierra mediante la estructura metálica de un poste o torre, o mediante electrodos de tierra adicionales instalados a intervalos regulares a lo largo de la línea. Por regla general, las líneas eléctricas aéreas con tensiones inferiores a 50 kV no tienen conductor estático, pero la mayoría de las líneas que transportan más de 50 kV sí lo tienen. El cable conductor de tierra también puede soportar cables de fibra óptica para la transmisión de datos.

Las líneas más antiguas pueden utilizar pararrayos que aíslan los conductores de la conexión directa a tierra y que pueden usarse como líneas de comunicación de baja tensión. Si la tensión supera un cierto umbral, como ocurre durante una descarga atmosférica en el conductor, esta "salta" los aisladores y se descarga a tierra.

La protección de las subestaciones eléctricas es tan variada como los propios pararrayos, y a menudo es propiedad exclusiva de la compañía eléctrica.

Los radiadores de las antenas de radio pueden estar aislados del suelo mediante un espacio de descarga en la base. Cuando un rayo impacta en la antena, salta este espacio. Una pequeña inductancia en la línea de alimentación entre la antena y la unidad de sintonización (generalmente un solo devanado) limita el aumento de voltaje, protegiendo el transmisor de voltajes peligrosamente altos. El transmisor debe estar equipado con un dispositivo para monitorear las propiedades eléctricas de la antena. Esto es muy importante, ya que podría quedar carga después de un rayo, dañando el espacio de descarga o los aislantes.

El dispositivo de monitoreo apaga el transmisor cuando la antena presenta un comportamiento anómalo, por ejemplo, debido a una carga eléctrica no deseada. Al apagarse el transmisor, estas cargas se disipan. El dispositivo de monitoreo intenta encenderlo nuevamente varias veces. Si después de varios intentos la antena continúa presentando un comportamiento anómalo, posiblemente debido a daños estructurales, el transmisor permanece apagado.

Idealmente, la parte subterránea del conjunto debería ubicarse en una zona de alta conductividad del suelo. Si el cable subterráneo resiste bien la corrosión , se puede cubrir con sal para mejorar su conexión eléctrica con tierra. Si bien la resistencia eléctrica del pararrayos entre el terminal aéreo y la tierra es de gran importancia, la reactancia inductiva del conductor podría ser aún más relevante. Por ello, el recorrido del conductor de bajada se mantiene corto y las curvas tienen un radio amplio. Si no se toman estas medidas, la corriente del rayo puede generar un arco eléctrico sobre una obstrucción resistiva o reactiva que encuentre en el conductor. Como mínimo, la corriente del arco dañará el pararrayos y puede encontrar fácilmente otra vía conductora, como el cableado o las tuberías del edificio, provocando incendios u otros desastres. Los sistemas de puesta a tierra con una resistividad inferior a la del suelo pueden ser eficaces para proteger una estructura de los daños causados ​​por los rayos. Cuando el suelo tiene baja conductividad, es muy poco profundo o inexistente, se puede mejorar el sistema de puesta a tierra añadiendo varillas de tierra, un conductor de contrapeso (anillo de tierra), radiales de cable que se extienden desde el edificio, o bien se pueden usar las barras de refuerzo de un edificio de hormigón como conductor de tierra ( Ufer ground ). Estas adiciones, si bien en algunos casos no reducen la resistencia del sistema, permiten la dispersión del rayo en la tierra sin dañar la estructura. ^{[ 20 ]}

Deben tomarse precauciones adicionales para evitar descargas laterales entre objetos conductores ubicados sobre o dentro de la estructura y el sistema de protección contra rayos. La sobretensión de la corriente del rayo a través de un conductor de protección contra rayos crea una diferencia de potencial entre este y cualquier objeto conductor cercano. Esta diferencia de potencial puede ser lo suficientemente grande como para provocar una peligrosa descarga lateral (chispa) entre ambos, la cual puede causar daños significativos, especialmente en estructuras que contienen materiales inflamables o explosivos. La forma más eficaz de prevenir este daño potencial es garantizar la continuidad eléctrica entre el sistema de protección contra rayos y cualquier objeto susceptible a una descarga lateral. Una conexión equipotencial efectiva permitirá que el potencial de voltaje de ambos objetos aumente y disminuya simultáneamente, eliminando así cualquier riesgo de descarga lateral. ^{[ 21 ]}

Se utiliza una cantidad considerable de material para fabricar sistemas de protección contra rayos, por lo que es prudente considerar cuidadosamente dónde una terminal aérea proporcionará la mayor protección. La comprensión histórica de los rayos, a partir de las declaraciones de Ben Franklin, asumía que cada pararrayos protegía un cono de 45 grados. ^{[ 22 ]} Se ha comprobado que esto es insuficiente para proteger estructuras altas, ya que es posible que un rayo impacte en el lateral de un edificio.

El Dr. Tibor Horváth desarrolló un sistema de modelado basado en una mejor comprensión de la terminación de rayos, denominado Método de la Esfera Rodante. Este método se ha convertido en el estándar para la instalación de los sistemas tradicionales de varillas Franklin. Para comprenderlo, es necesario conocer cómo se "mueve" un rayo. A medida que el líder de un rayo salta hacia el suelo, avanza hacia los objetos conectados a tierra más cercanos a su trayectoria. La distancia máxima que puede recorrer cada paso se denomina distancia crítica y es proporcional a la corriente eléctrica. Es probable que los objetos sean alcanzados si se encuentran más cerca del líder que esta distancia crítica. Es práctica común aproximar el radio de la esfera a 46  m cerca del suelo. ^{[ 23 ]}

Es improbable que un objeto fuera de la distancia crítica sea alcanzado por el líder si hay un objeto sólidamente conectado a tierra dentro de la distancia crítica. Las ubicaciones que se consideran seguras contra los rayos se pueden determinar imaginando las trayectorias potenciales de un líder como una esfera que viaja desde la nube hasta el suelo. Para la protección contra rayos, basta con considerar todas las esferas posibles a medida que tocan los puntos potenciales de impacto. Para determinar los puntos de impacto, considere una esfera rodando sobre el terreno. En cada punto, se simula una posición potencial del líder. Es más probable que el rayo caiga donde la esfera toca el suelo. Los puntos que la esfera no puede rodar y tocar son los más seguros contra los rayos. Los protectores contra rayos deben colocarse donde impidan que la esfera toque una estructura. Sin embargo, un punto débil en la mayoría de los sistemas de desviación de rayos es el transporte de la descarga capturada desde el pararrayos hasta el suelo. ^{[ 24 ]} Los pararrayos se instalan típicamente alrededor del perímetro de los techos planos, o a lo largo de las cumbreras de los techos inclinados a intervalos de 6,1 m o 7,6 m, dependiendo de la altura del pararrayos. ^{[ 25 ]} Cuando un techo plano tenga dimensiones mayores a 15  m por 15  m, se instalarán terminales de aire adicionales en el centro del techo a intervalos de 15  m o menos en un patrón de cuadrícula rectangular. ^{[ 26 ]}

La forma óptima para la punta de un pararrayos ha sido objeto de controversia desde el siglo XVIII. Durante el período de confrontación política entre Gran Bretaña y sus colonias americanas, los científicos británicos sostenían que un pararrayos debía tener una bola en su extremo, mientras que los científicos estadounidenses sostenían que debía tener una punta. A partir de 2003, la controversia no se había resuelto por completo. ^{[ 27 ]} Es difícil resolver la controversia porque los experimentos controlados adecuados son casi imposibles, pero el trabajo realizado por Charles B. Moore , et al., ^{[ 28 ]} en 2000 ha arrojado algo de luz sobre el tema, encontrando que los pararrayos moderadamente redondeados o de punta roma actúan como receptores de descarga marginalmente mejores. Como resultado, se instalan varillas de punta redondeada en la mayoría de los sistemas nuevos en los Estados Unidos, aunque la mayoría de los sistemas existentes todavía tienen varillas puntiagudas. Según el estudio,

Los cálculos de la intensidad relativa de los campos eléctricos sobre varillas afiladas y romas expuestas de forma similar muestran que, si bien los campos son mucho más fuertes en la punta de una varilla afilada antes de cualquier emisión, disminuyen más rápidamente con la distancia. Como resultado, a pocos centímetros por encima de la punta de una varilla roma de 20 mm de diámetro, la intensidad del campo es mayor que sobre una varilla similar, más afilada y de la misma altura. Dado que la intensidad del campo en la punta de una varilla afilada tiende a estar limitada por la fácil formación de iones en el aire circundante, las intensidades del campo sobre varillas romas pueden ser mucho mayores que las que se producen a distancias superiores a 1  cm sobre varillas más afiladas. Los resultados de este estudio sugieren que las varillas metálicas moderadamente romas (con una relación altura de la punta/radio de curvatura de la punta de aproximadamente 680:1) son mejores receptores de rayos que las varillas más afiladas o muy romas.

Además, la altura del pararrayos en relación con la estructura, e incluso con la Tierra misma, influyen. ^{[ 29 ] [ 30 ]}

La teoría de transferencia de carga establece que un rayo puede ser impactado en una estructura protegida reduciendo el potencial eléctrico entre dicha estructura y la nube de tormenta. Esto se logra transfiriendo carga eléctrica (por ejemplo, de la Tierra cercana al cielo o viceversa). ^{[ 31 ] [ 32 ]} La transferencia de carga eléctrica de la Tierra al cielo se realiza mediante la instalación de productos diseñados con múltiples puntos sobre la estructura. Se observa que los objetos puntiagudos transfieren carga a la atmósfera circundante ^{[ 33 ] [ 34 ]} y que se puede medir una corriente eléctrica considerable a través de los conductores debido a la ionización que ocurre en el punto donde hay un campo eléctrico, como sucede cuando hay nubes de tormenta sobre la estructura.

En Estados Unidos, la Asociación Nacional de Protección contra Incendios (NFPA) no respalda actualmente ningún dispositivo que pueda prevenir o reducir los rayos. El Consejo de Normas de la NFPA, tras una solicitud de un proyecto para abordar los sistemas Disipation Array™ y los sistemas de transferencia de carga, denegó la solicitud para comenzar a elaborar normas sobre dicha tecnología (aunque el Consejo no descartó el desarrollo de normas futuras una vez que se presentaron fuentes fiables que demostraran la validez de la tecnología y la ciencia básicas). ^{[ 35 ]}

La teoría de la emisión temprana de serpentinas propone que si un pararrayos posee un mecanismo que produce ionización cerca de su punta, su área de captura de rayos aumenta considerablemente. Inicialmente, se utilizaron pequeñas cantidades de isótopos radiactivos ( radio-226 o americio-241 ) como fuentes de ionización ^{[ 36 ]} entre 1930 y 1980, siendo posteriormente reemplazados por diversos dispositivos eléctricos y electrónicos. Según una patente antigua, dado que la mayoría de los pararrayos tienen potenciales de tierra elevados, la distancia del recorrido desde la fuente hasta el punto de tierra elevado será menor, creando un campo más intenso (medido en voltios por unidad de distancia) y, por lo tanto, la estructura será más propensa a la ionización y la ruptura. ^{[ 37 ]}

AFNOR, el organismo nacional de normalización francés, publicó una norma, NF C 17-102:2011 , que abarca esta tecnología. La NFPA también investigó el tema y se propuso publicar una norma similar en los EE. UU. Inicialmente, un panel independiente de terceros de la NFPA declaró que "la tecnología de protección contra rayos [Early Streamer Emission] parece ser técnicamente sólida" y que existía una "base teórica adecuada para el concepto y diseño del terminal aéreo [Early Streamer Emission] desde un punto de vista físico". ^{[ 38 ]} ) El mismo panel también concluyó que "el sistema de protección contra rayos recomendado [norma NFPA 781] nunca ha sido validado científica ni técnicamente y los terminales aéreos de varilla Franklin no han sido validados en pruebas de campo bajo condiciones de tormenta eléctrica".

En respuesta, la Unión Geofísica Americana concluyó que «el Panel Bryan no revisó prácticamente ninguno de los estudios y la literatura sobre la efectividad y la base científica de los sistemas tradicionales de protección contra rayos y fue erróneo en su conclusión de que no había base para la Norma». La AGU no intentó evaluar la efectividad de ninguna modificación propuesta a los sistemas tradicionales en su informe. ^{[ 39 ]} La NFPA retiró su propuesta de edición del borrador de la norma 781 debido a la falta de evidencia de una mayor efectividad de los sistemas de protección basados ​​en la Emisión Temprana de Corrientes sobre los terminales aéreos convencionales.

Los miembros del Comité Científico de la Conferencia Internacional sobre Protección contra Rayos (ICLP) han emitido una declaración conjunta manifestando su oposición a la tecnología de Emisión Temprana de Descargas (ESE). ^{[ 40 ]} La ICLP mantuvo una página web con información relacionada con ESE y tecnologías relacionadas hasta 2016. ^{[ 41 ] [ 42 ]}