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Descargas Atmosféricas

Universidad Central del Ecuador FIGEMPA - Escuela de Petróleos 5530 - Electrotecnia
by

Mauricio Fiallos

on 3 October 2011

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Transcript of Descargas Atmosféricas

DESCARGAS ATMOSFÉRICAS OBJETIVOS GENERAL: Desarrollar el tema de descargas atmosféricas; analizando sus generalidades, causalidades efectos y prevención; mediante la consulta en diferentes referencias bibliográficas e internet, para que los estudiantes vean la relación de este fenómeno físico en la industria petrolera. Determinar qué es el rayo.
Establecer cómo se producen las descargas atmosféricas.
Averiguar la clasificación y descripción de los rayos
Determinar, en general, los efectos de las descargas atmosféricas.
Analizar la energía producida por una descarga atmosférica.
Consultar las precauciones en la industria petrolera.
Realizar una exposición dinámica del tema tratado
INTRODUCCIÓN Popularmente conocida como “rayo”, es un fenómeno natural observado y temido por el ser humano desde el mismo comienzo del uso de la razón por parte de la especie.

Fenómeno climático, es decir con estacionalidad del momento del año en el que pueden ocurrir con mayor probabilidad, pero con mucha variabilidad en cuanto a tipo, cantidad o intensidad de sus descargas.
No resulta posible predecir con certeza, el momento, el lugar de impacto ni la intensidad de sus parámetros.

El fenómeno rayo está estudiado seriamente desde hace más de un siglo (términos estadísticos).
La naturaleza eléctrica del rayo fue demostrada por primera vez por Benjamin Franklin en el siglo XVIII quien remontó una cometa bajo una nube tormentosa. La descarga se propagó por el cordel húmedo y llegó a tierra produciendo chispas en una llave metálica que Franklin había atado en su extremo. OBJETIVOS ESPECÍFICOS ¿Qué es el rayo (Descarga Atmosférica)?
que es el ruido que produce el relámpago al desplazarse rápidamente y de manera explosiva en la atmósfera. Las ondas sonoras se producen por la expansión y la compresión violentas del aire. El ruido estruendoso del trueno se produce por la enorme dilatación casi instantánea del aire al calentarse bruscamente. Para saber a qué distancia ha caído el rayo se pueden contar los segundos que transcurren entre la luz y el sonido: Cada segundo representa alrededor de 300 metros
Es una enorme chispa eléctrica fenómeno complejo. Relámpagos (manifestación luminosa) Formado por Truenos (manifestación sonora) Aunque esa corriente es en sí misma invisible, parece luminosa porque excita las moléculas de aire, las ioniza y las hace emitir luz. La tensión puede alcanzar decenas de millones de voltios. La intensidad de la chispa puede fluctuar entre los 1000 y los 500.000 amperios con una duración entre 5 y 500 microsegundos. ¿Cómo se produce? Este proceso continúa hasta que se alcanza la ruptura dieléctrica entre los puntos de acumulacion de cargas El vapor se condensa sobre partículas y forma la nube
Aire húmedo y caliente se eleva a regiones frías Las gotitas de humedad se elevan, chocan entre sí y con las moléculas de aire. El aire frío es forzado a circular hacia abajo por la formación de la nube. Se establecen corrientes verticales , ascendentes y descendentes, que originan una separacion de cargas entre las regiones superior e inferior. ( se electrizan por frotamiento) La acumulación de electrones en capas inferiores crea una diferencia de potencial con las capas superiores. INDUCCIÓN o INFLUENCIA ELECTROSTÁTICA.
Esos electrones también repelen a los electrones libres de la superficie terrestre creando así una diferencia de potencial entre la nube y la tierra. en la parte inferior de la nube se va acumulando una enorme cantidad de carga negativa Cúmulo-nimbos de color plomizo. Si la nube se mueve y avanza, el suelo se va electrizando debajo positivamente como si se tratara de una sombra positiva bajo la nube.
La ionización positiva puede ser muy intensa y afecta especialmente a los objetos prominentes del suelo (poder de las puntas) e incluso al aire circundante próximo al suelo que también se carga de electricidad positiva. Este aire positivo se ve enseguida atraído por la nube negativa que tiene encima y comienza a moverse en forma de corriente ascendente originando un "viento" vertical hacia arriba. . Las fotografías de rayos muestran además un parpadeo muy rápido que es interpretado como una serie descargas eléctricas que van de arriba abajo y viceversa, volviendo la corriente de nuevo a la nube como si se produjera un rebote contra el suelo. Los relieves o prominencias modifican mucho esta situación y refuerzan localmente el campo según el llamado “poder de las puntas”. Cuando el objeto es muy destacado, en su extremo se forman efluvios o filamentos azules o violetas que producen crepitaciones características. Este fenómeno es conocido desde la antigüedad como fuegos de San Telmo y corresponden a lo que se llama hoy en día “efecto corona”. Clasificación de los RAYOS los inter o intra-nube cuya descarga tiene lugar en el interior mismo de la nube GENERAL los que tienen lugar entre la nube y el suelo. Según el origen del trazador Rayos descendentes
(el trazador parte de una nube y progresa por saltos sucesivos formando arborescencias abiertas hacia abajo). Este trazador se llama trazador por saltos (velocidad media de 0,15 m/s). Los rayos descendentes son los más frecuentes en sitios llanos

Rayos ascendentes
(el trazador parte del suelo, desde un objeto destacado como un pico puntiagudo y produce arborescencias abiertas hacia arriba.) Según la polaridad Positivos (10 %)
Que descarga la parte positiva de la nube Negativos
Que descarga la parte negativa de la nube Efectos Generales Están relacionados con la intensidad de la corriente de descarga. (Efecto Joule). El calor desprendido puede fundir los materiales metálicos que forman la estructura de un edificio y evaporar el agua rápidamente de un árbol o cualquier ser vivo haciéndola hervir produciendo el efecto de un estallido Efectos térmicos: Las fuerzas electrodinámicas crean una dilatación del aire en el canal del rayo y una elevación de la presión lo que provoca una onda de choque. La distancia del canal del rayo y su orientación con relación al observador, determinan el espectro sonoro percibido por el operador. Efectos acústicos: Sobretensiones por conducción: Cuando el rayo cae en el tendido eléctrico, la descarga se propaga como una onda a lo largo del conductor. Se trata de una corriente de muy alta tensión que es inyectada a la línea eléctrica y que casi siempre provoca el disparo de los fusibles y otros sistemas de protección de la red.
Inducción magnética: El impacto del rayo va acompañado de una radiación electromagnética que si alcanza un conductor cercano produce corrientes inducidas muy elevadas. (Esto provocaría el deterioro de un equipo de radio conectado a su antena sin necesidad de que el rayo caiga directamente en ella.)
Efectos eléctricos Efectos luminosos: Pueden sobrevenir lesiones oculares y ceguera temporal de las personas que se encuentren muy cerca del rayo La descarga es muy energética y va acompañada de varios fenómenos como:
Formación de ozono
Rotura de la molécula de nitrógeno, de oxígeno y de vapor de agua lo que hace que esas nuevas sustancias se recombinen entre sí produciendo amoniaco y óxidos de nitrógeno que serán lavados por el agua de lluvia y caen a tierra. Este mecanismo provoca lluvia ácida y ayuda a fijar el nitrógeno atmosférico. Algunas de esas sustancias tienen un olor a "quemado" extremadamente acre.
Se puede formar el arco eléctrico, donde las temperaturas llegan a 20.000 o 30.000ºK. Energía Zona A - Pulso de corriente Pico de hasta 200 KA dI/dt = 30.000 MA/seg
Zona B – Transición
Zona C – Estabilización Corriente de cientos de A
Zona D – Repetición descarga Típicamente 3 o 4 veces
Potencia de un rayo
El campo eléctrico atmosférico bajo una nube tormentosa es del orden de 20kV/m. O sea que la diferencia de potencial nube-suelo se aproxima a los 100MV. Por término medio, un rayo transporta 5C. La energía de un rayo es pues: 100 MV x 5 C = 500 MJ.
La chispa dura un tiempo de unos 25 ms o sea que la potencia media es 500 MJ/25 ms = 20 GW


Energía media producida en una tormenta
Una tormenta tiene un número de chispas variable, entre 10 y varios millares. Poniendo una media de 100 descargas, la energía media de la tormenta será de alrededor de 50 GJ.
PROBABILIDAD 50% de los casos primer - descarga supera 20 KA.
2 % de los casos llega a superar los 140 KA.
Descargas posteriores son de menor intensidad
Repetición de descarga 3 a 4 veces típico
Datos Experimentales Medidas de Protección y Precaución Estar alejado de los lugares prominentes como torres, campanarios, tejados que por el poder de las puntas son más peligrosos porque tienen mayor ionización.
En los descampados, conviene tumbarse en el suelo aprovechando una zanja o cualquier fisura del terreno especialmente si se siente olor a ozono o se aprecia erizamiento del pelo o del vello de la piel.
Es conveniente no cobijarse bajo los árboles aislados o en el bosque ya que transpiran y contribuyen a ionizar el aire.
Las chimeneas de las casas son especialmente peligrosas sobre todo si están encendidas ya que lanzan hacia arriba una columna de aire caliente conductor que es perfecta para una descarga posterior.
Los pastores deben separarse en lo posible del ganado porque tiene tendencia a aborregarse por el miedo y su espíritu gregario y con el sudor y la transpiración de la piel, produce aire caliente ascendente.
Los campos de deportes especialmente campos de golf son de alto riesgo por su humedad. Conviene alejarse de cualquier objeto metálico como tractores, motocicletas, cortadoras de césped o bicicletas. Conviene despojarse de la máquina de fotos si es metálica e incluso de las monedas en el bolsillo. Es particularmente peligroso agitar un palo de golf, una caña de pescar o mantener en la mano un paraguas abierto.
No conviene acercarse a una valla o alambrada metálica porque si ocurre una descarga, se propagará fácilmente por ella pudiendo electrocutarnos.
Evitar moverse o hacerlo lo más lentamente posible y por supuesto no correr. Si se viaja en coche, lo mejor es parar al borde de la carretera, lejos de cualquier línea eléctrica y permanecer dentro porque dentro del habitáculo se produce el efecto protector de "jaula de Faraday".
Dentro de la casa, no sirve de mucho cerrar herméticamente puertas y ventanas porque la descarga puede atravesar un muro como si no hubiera nada, pero no conviene crear corrientes de aire y se deberá apagar la chimenea si está encendida.
Conviene sacar la toma de antena de los equipos y retirarlos de las proximidades del conector.
No conviene hablar por teléfono y dejar para más tarde el baño de agua caliente o el planchado de la ropa Pararrayos Sistema de protección de los edificios, sus moradores y sus bienes contra los efectos destructivos del rayo.

El inventor del primer pararrayos fue el norteamericano Benjamin Franklin, científico y político del siglo XVIII. Su invento consiste en una varilla de unos dos metros de largo colocada en la parte alta de los edificios y unida eléctricamente a tierra por medio de un cable conductor. En caso de producirse la descarga, la chispa es conducida sin peligro a tierra. En la actualidad, aún se sigue utilizando el invento aunque ha sido bastante mejorado desde entonces.
Según las Normas Tecnológicas de la Edificación (NTE) es necesario instalar pararrayos en los siguientes casos:
Edificios de más de 43 metros.
Sitios donde se manipulan sustancias tóxicas, radiactivas, explosivas o fácilmente inflamables.
Lugares donde el índice de riesgo es superior a 27. Se llama índice de riesgo al número obtenido mediante la suma de tres parámetros : a + b + c que se refieren a la situación geográfica del edificio, a los materiales de su fabricación y a las condiciones topográficas según se muestran en el mapa y las tablas adjuntas.
TIPOS: De puntas De jaula de Faraday Tipo Franklin.
Se basa en la teoría del poder de las puntas que consiste en que las descargas eléctricas se dirigen al punto más alto, es decir, hacia la punta del pararrayos. El sistema está formado por una varilla de unos 2 metros de acero galvanizado de 50 mm. de diámetro cuya punta está recubierta de wolframio (p.f. 3.650 ºC) con el fin de soportar las altas temperaturas que produce el rayo al caer. La zona de cobertura es un cono. Tipo radiactivo.
Contiene una caja con una pequeña cantidad de isótopo radiactivo cuya finalidad es ionizar el aire de forma suplementaria. Los iones que se producen favorecen el canal que ha de seguir el rayo lo que hace que su campo de protección sea el de una semiesfera de unos 200 m. De radio que cae hasta el suelo en forma de cilindro Tipo piezoeléctrico.
Se basan en el fenómeno que presenta el cuarzo que al ser presionado produce una descarga eléctrica entre dos electrodos. En este caso, la fuerza la produce el viento al actuar sobre el vástago del pararrayos, por lo que funciona mejor en caso de temporal Tipo ión-corona solar.
Incorporan un dispositivo eléctrico productor de iones de forma permanente. Es más eficaz que el radiactivo y no es peligroso. Dispone de dos electrodos entre los que se producen efluvios eléctricos y una pequeña luminosidad (efecto corona). El dispositivo necesita energía eléctrica para el ionizador y ésta se consigue generalmente con un panel solar . Se basa en el conocido fenómeno descubierto por el físico inglés Michel Faraday. Se llama también "reticular" y consiste en un retículo o malla tendida a lo largo de los aleros del tejado de grandes edificios y conectada eléctricamente a tierra. APLICACIONES INDUSTRIALES La industria moderna depende cada vez en mayor grado de la automatización por medios electrónicos para incrementar la productividad, aumentar la seguridad y lograr beneficios económicos.

Sin embargo, con frecuencia los circuitos industriales se encuentran contaminados severamente con perturbaciones eléctricas producidas por ruido industrial, cierre y apertura de circuitos y por descargas atmosféricas.

Con el propósito de proveer protección integral y comprehensiva a los equipos electrónicos en ambientes industriales se debe hacer uso de Filtros Discriminatorios de Transitorios, los cuales brindan protección contra ruido industrial hasta descargas de transitorios causados por la descarga de rayos. Hay cinco consecuencias principales al confiar en la suerte y no instalar sistemas de protección:
1- Problemas en operaciones no explicables o sutiles.
2- Pérdida de datos, incluyendo la pérdida de archivos magnéticos o cambio de datos (con consecuencias potencialmente grandes).
3- Sacudidas eléctricas al personal.
4- Pérdida de funciones y paros del sistema, con grandes consecuencias por el cese en la actividad en la empresa.
5- Pérdida de seguridad frente al potencial en cables metálicos de largas distancias, debido al rayo a las sobretensiones transitorias, siendo por tanto, la fibra óptica una mejor alternativa en niveles de seguridad.

La experiencia indica que el costo de los daños físicos y de funcionamiento afecta a cuatro grupos de personas:
a) Los propietarios de los equipos que se ven sometidos a costos de reparación o de sustitución, paros de funcionamiento y en definitiva, pérdidas económicas.
b) Compañías de seguros.
c) Suministradores de equipos, que se ven forzados a asumir esos costos, bajo el argumento de la garantía, cuando realmente la no protección no es un tema de garantías sino una responsabilidad del propietario.
d) Clientes por las posibles pérdidas de datos y falta de servicio
FACULTAD DE INGENIERÍA EN GEOLOGÍA, MINAS, PETRÓLEOS Y AMBIENTAL
ESCUELA DE INGENIERÍA DE PETRÓLEOS
5530 - ELECTROTECNIA
Ing. Martín Ríos
Richard Chamba
Jenny Dávila
Mauricio Fiallos
UNIVERSIDAD CENTRAL DEL ECUADOR Protección a Instalaciones Petroleras El personal de una instalación petrolera está sometido a altos riesgos por impactos de rayo
Una perturbación por impacto de rayo en equipos, dispositivos o sistemas eléctricos o electrónicos puede llevar a grandes pérdidas económicas.
Para que se presente una explosión en un tanque de almacenamiento de combustible es condición necesaria la presencia simultánea de tres elementos:
* Mezcla de gases explosivos y aire
* Discontinuidades
* Chispa que produzca la ignición
Metodología Para Protección Contra Rayos Evaluar el riesgo Aplicar el sistema integral de protección contra rayos El propósito es establecer la necesidad de utilizar un sistema de protección contra rayos Proteger el parque de tanques y el Sistema de Inventariado contra dichos peligros. Los sistemas modernos de inventariado incluyen muchos circuitos electrónicos. La posición de los equipos eléctricos en la parte superior de los tanques hace que sean más vulnerables a daños por tormentas que cualquier otro equipo industrial. Proteger los sistemas de comunicación de hoy en día interaccionan con los equipos de campo a través de redes digitales únicas. En un parque de tanques, un rayo crea una diferencia de potencial directa entre el equipo de medida y el sistema receptor en la sala de control, (el equipo de medida está conectado por un lado a la tierra del tanque y por el otro al sistema receptor). El resultado es una diferencia de potencial entre el cable y el equipo medidor o el cable y el sistema receptor. Esta diferencia entre el equipo y el cable tiende a igualarse, buscando un camino de baja impedancia entre la circuitería conectada al cable y tierra.

Tan pronto como la diferencia de potencial excede el voltaje de aislamiento, se produce un cortocircuito entre la electrónica y tierra. Además, también aparecerán corrientes transitorias inducidas en componentes y cables adyacentes. Estas descargas eléctricas pasando a través de circuitos eléctricos causan efectos desastrosos. Cada semiconductor que no sea suficientemente rápido o capaz de soportar las corrientes generadas, aún en periodos de tiempo muy cortos, será ineludiblemente destruido Circuito supresor Incorporando circuitos especiales en todas las entradas y salidas de cables, es posible aminorar la magnitud del transitorio visto por el instrumento.

Un tubo de descarga de gases es la clave de esta solución. Los tubos de descarga de gases están disponibles para protecciones contra voltajes desde 60 V hasta más de 1000 V y tienen un tiempo de reacción de algunos microsegundos, después de los cuales generan un paso de gas ionizado conductor. No dan protección hasta que no son plenamente conductores.

Un "transzorb" o varistor, en combinación con una resistencia y preferiblemente una inductancia pueden añadirse para mejorar la protección. Estos semiconductores reaccionan en un par de nanosegundos y limitan el voltaje. El mayor problema es que cada vez que reacciona un supresor de transitorios, se degrada. La fiabilidad es por lo tanto más bien pobre, lo cual hace que estas técnicas de protección no sean adecuadas para aplicaciones tan críticas como el Inventariado en Tanques.
Circuito derivador La derivación es una técnica más fiable y más adecuada para protección contra tormentas eléctricas de los instrumentos del Inventariado en Tanques. Las técnicas modernas de protección utilizan la derivación en combinación con apantallamiento y aislamiento galvánico total. Se trata de una técnica en la que los grandes picos de voltaje son derivados más que disipados.

Son utilizados transformadores desarrollados especialmente en todas las entradas y salidas. Tienen dos pantallas de tierra internas separadas entre primario y secundario y el núcleo del transformador. El cableado proveniente del exterior del equipo está separado físicamente del cableado interno, al tiempo que se equipan todos los circuitos con tierras propias con el fin de blindar la electrónica en su conjunto.

Desafortunadamente este método no es aplicable con señales de corriente continua. En este caso se utilizan protecciones convencionales junto a aislamientos de tipo galvánico
Conexión a tierra y apantallado Un correcto apantallamiento y puesta a tierra de los instrumentos y sistemas conectados en campo es de gran ayuda contra los daños por tormentas eléctricas. El posible camino de descarga a través de la brida de un instrumento y la correspondiente brida de montaje, debe disponer de una resistencia cercana al cero, para prevenir la creación de diferencias de potencial.

Una débil o total falta de toma a tierra, puede ser la causa de chispas y la posterior ignición de los vapores del producto circundante
CONCLUSIONES Las descargas atmosféricas o rayos se producen en un ambiente de aire húmedo y caliente entre la nube (separación de cargas entre las regiones superior e inferior) y el suelo, donde la acumulación de electrones en capas inferiores repelen a los electrones libres de la superficie terrestre creando así una diferencia de potencial entre la nube y la tierra, hasta que ocurre ruptura dieléctrica entre los puntos de acumulación de cargas.
Las Descarga eléctricas se clasifican en aquellas que dentro de la misma nube o Descarga eléctrica entre nubes, y Descarga eléctrica entre nube y tierra.
La energía disipada en las tormentas es gigantesca pero al mismo tiempo, inmanejable e impredecible. Algo así como querer aprovechar la energía desprendida al tirar una bomba atómica. (Demasiada energía en muy poco tiempo)
En general, el rayo completo dura entre 0,01 y 2 segundos e implica de 2 a 3 arcos de retorno. La intensidad oscila entre 3000 y 200.000 amperios con un valor medio de 25.000 amperios.
Gracias a los nuevos conocimientos sobre el rayo, a la evolución tecnológica y a las técnicas más modernas hoy podemos decir que estamos capacitados para poder protegernos eficazmente contra estos riesgos mediante la protección integral contra los efectos de los rayos.
El uso de circuitos derivados es una técnica más fiable y más adecuada para protección contra tormentas eléctricas de los instrumentos del Inventariado en Tanques, que es donde se generan las diferencias de potencial más importantes en las instalaciones petroleras.
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