Un rayo a tierra puede ser descendente (nace en la nube) o ascendente (nace en una estructura alta). Se compone de impulsos cortos, de menos de 2 ms, y de corrientes largas, de entre 2 ms y 1 s. IEC 62305-1 fija para cada nivel de protección el pico, la carga y la energía específica con las que se dimensionan las medidas; el primer impulso positivo es de 10/350 µs.
Respuesta corta
La corriente del rayo se describe con unos pocos parámetros: valor pico, carga, energía específica y tiempos de frente y de cola. IEC 62305-1 los fija para cada nivel de protección contra el rayo (I a IV) y esos valores dimensionan las secciones de los conductores, las espesuras de láminas metálicas, la capacidad de los dispositivos de protección contra sobretensiones (DPS) y las distancias de separación contra chispas peligrosas. Para el nivel I el primer impulso positivo es de 200 kA, 100 C y 10 MJ/Ω, con forma de onda 10/350 µs.
Descargas descendentes y ascendentes
Hay dos tipos de descarga a tierra:
- Descendente: la inicia un líder que baja de la nube a la tierra. Predomina en terreno plano y sobre estructuras bajas.
- Ascendente: la inicia un líder que sube desde una estructura conectada a tierra hacia la nube. Predomina en estructuras expuestas o altas.
Cuanto mayor es la altura efectiva de una estructura, mayor es la probabilidad de impacto directo y cambian las condiciones físicas de la descarga. Una descarga descendente empieza con un primer impulso, que puede ir seguido de impulsos subsecuentes, y uno o varios impulsos pueden terminar en una corriente larga. Una ascendente empieza con una primera corriente larga, con o sin impulsos superpuestos, y puede seguir con impulsos subsecuentes.
Impulsos cortos y corrientes largas
La corriente de un rayo está formada por uno o varios de estos componentes:
- Impulso corto: duración de la cola, hasta el valor mitad, típicamente menor de 2 ms.
- Corriente larga: duración TLONG, medida entre el 10 % del valor en el aumento y el 10 % en la disminución, típicamente mayor de 2 ms y menor de 1 s.
Cada componente tiene polaridad positiva o negativa y una posición en la descarga: primero, subsecuente o superpuesto. La norma supone una relación de polaridad de 10 % de descargas positivas y 90 % negativas, que depende del territorio; si no hay información local, se usa esa relación.
Una descarga múltiple tiene en promedio de tres a cuatro impulsos, con un intervalo típico de unos 50 ms entre ellos. La norma anota que se han registrado descargas de hasta unas pocas decenas de impulsos con intervalos de 10 ms a 250 ms.
Cómo se mide la forma de un impulso
La norma define los parámetros a partir de la curva de corriente:
- Valor pico (I): el máximo de la corriente.
- Tiempo de frente (T1): parámetro virtual igual a 1,25 veces el intervalo entre el 10 % y el 90 % del pico.
- Tiempo a valor mitad (T2): intervalo entre el origen virtual y el instante en que la corriente baja a la mitad del pico en la cola. El origen virtual está 0,1 veces T1 antes de que la corriente llegue al 10 %.
- Carga del impulso (QSHORT): integral de la corriente durante el impulso.
- Energía específica (W/R): integral del cuadrado de la corriente. Representa la energía que la corriente disipa en una resistencia de 1 Ω; la de una corriente larga es despreciable.
- Pendiente media (di/dt): variación de la corriente en un intervalo de tiempo, dividida por ese tiempo.
Para análisis, la norma da en su anexo B una función del tiempo con el pico, un factor de corrección y dos constantes de tiempo, con valores distintos para cada forma de onda. Los datos estadísticos provienen de mediciones de CIGRE y siguen una distribución logarítmica normal.
Valores de diseño por nivel de protección
La Tabla 3 de la Parte 1 da los valores máximos que se usan para dimensionar los componentes de protección. Los niveles III y IV comparten valores.
| Parámetro | Nivel I | Nivel II | Niveles III y IV | Forma de onda |
|---|---|---|---|---|
| Primer impulso positivo: pico | 200 kA | 150 kA | 100 kA | 10/350 µs |
| Primer impulso positivo: carga | 100 C | 75 C | 50 C | |
| Primer impulso positivo: energía específica | 10 MJ/Ω | 5,6 MJ/Ω | 2,5 MJ/Ω | |
| Primer impulso negativo: pico (la norma lo define hasta el nivel III) | 100 kA | 75 kA | 50 kA | 1/200 µs |
| Impulso subsecuente: pico | 50 kA | 37,5 kA | 25 kA | 0,25/100 µs |
| Impulso subsecuente: pendiente media | 200 kA/µs | 150 kA/µs | 100 kA/µs | |
| Corriente larga: carga | 200 C | 150 C | 100 C | TLONG de 0,5 s |
| Descarga completa: carga | 300 C | 225 C | 150 C |
Los valores de los niveles II, III y IV se obtienen reduciendo los del nivel I: 75 % para el II y 50 % para el III y el IV, de forma lineal para la corriente, la carga y la pendiente, y de forma cuadrática para la energía específica. Los tiempos no cambian. La primera descarga negativa de 1/200 µs se usa solo para cálculos, no para ensayos.
Existe otro grupo de valores, los mínimos, que no sirven para dimensionar conductores sino para ubicar los captores. Se explican en la guía de niveles de protección.
Por qué importa cada parámetro
El anexo D de la Parte 1 relaciona cada parámetro con un efecto sobre los componentes:
- Energía específica: calentamiento resistivo de los conductores por donde circula la corriente.
- Carga: daño térmico en el punto de impacto, donde el arco funde el metal.
- Valor pico: esfuerzos mecánicos, por las fuerzas electrodinámicas entre conductores.
- Pendiente: tensión inducida en un lazo, proporcional a la autoinductancia por la pendiente de la corriente.
Estos valores son los de la corriente en el punto de impacto. Como la corriente se reparte entre varias bajantes, tuberías y líneas, la que recorre un componente concreto es una fracción, y eso se calcula caso por caso. La selección de los dispositivos de protección contra sobretensiones se explica en la guía de sobretensiones transitorias en la planta.
Guías de la misma serie
El nivel de protección fija el valor máximo de corriente que se usa para diseñar: vea niveles de protección. Con esa corriente se dimensiona el sistema completo (SPCR, clases I a IV) y se reparte entre las bajantes del SPCR. La parte de la corriente que entra por las líneas es la que deben soportar los DPS coordinados.
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Referencias
- IEC 62305-1:2010, Protection against lightning – Part 1: General principles, cláusulas 3.1 a 3.21, 4 y 8.2 (tablas 3 y 4), anexo A (cláusulas A.1 y A.2, figuras A.1 a A.4 y tabla A.1), anexo B (ecuación B.1 y tabla B.1) y anexo D (cláusulas D.3 a D.5).
Preguntas frecuentes
¿Qué significa 10/350 µs en la forma de onda del rayo?
Es el tiempo de frente (T1) y el tiempo hasta el valor mitad de la cola (T2) del primer impulso positivo, ambos en microsegundos. El frente T1 se define como 1,25 veces el intervalo entre el 10 % y el 90 % del valor pico, y T2 se mide desde el origen virtual de la onda hasta que la corriente baja a la mitad del pico.
¿Por qué la norma usa tres formas de onda distintas para el impulso?
Porque el primer impulso positivo (10/350 µs), el primer impulso negativo (1/200 µs) y los impulsos subsecuentes negativos (0,25/100 µs) tienen frentes y colas distintos. El positivo lleva más carga y energía; el subsecuente tiene el frente más empinado. La norma aclara que la forma 1/200 µs se usa solo para cálculos, no para ensayos.
¿Las descargas ascendentes superan los valores de diseño?
No. La norma anota que todos los parámetros de impulso de las descargas ascendentes son menores que los de las descendentes. Los parámetros de las ascendentes se consideran cubiertos por los máximos de las descendentes, aunque una mayor carga en la corriente larga todavía no está confirmada.