Nota técnica | Los sistemas de protección contra rayos (SPCR) en la normativa técnica argentina e internacional: el método de la “esfera rodante”

 

Por Ing. Juan Carlos Arcioni, IRAM, e Ing. Jorge Francisco Giménez, CITEDEF

Una presentación de los SPCR y del método de la esfera rodante para estudiar y poder aplicarlo a los sistemas de protección contra los rayos según las normas argentinas e internacionales

1. Introducción

1.1 Términos y sus definiciones para la introducción de nuestra nota técnica
A continuación presentamos las definiciones que proponemos para los cuatro términos siguientes:
1.1.1 Sistema [4]:
1.1.1.1 Sistema inmaterial (no material), con cinco ejemplos [4].
Definición: conjunto de reglas o de principios sobre una materia, racionalmente enlazados entre sí. (Nota: Materia: tema, asunto, cuestión.) Ejemplos:

  • Sistema acusatorio (en derecho).
  • Sistema inquisitivo (en derecho).
  • Sistema métrico decimal (en la ciencia y la técnica).
  • Sistema de numeración (en matemática).
  • Sistema lingüístico (fonológico, gramatical y léxico).

1.1.1.2 Sistema material, con siete ejemplos:
Definición: conjunto de cosas ordenadamente relacionadas entre sí que contribuyen a un determinado objeto. Ejemplos:

  • Sistema periódico (de elementos químicos).
  • Sistema nervioso (de la anatomía).
  • Sistema métrico decimal (de pesas y medidas de la metrología).
  • Sistema planetario (de la astronomía).
  • Sistema solar (de la astronomía).
  • Sistema cristalográfico (de la física y de la mineralogía).
  • SPCR -sistema de protección contra rayos- (de la ingeniería eléctrica y electrónica).

1.1.2 Modelo [4]
Definición: esquema teórico (generalmente de forma matemática) de un sistema o de una realidad compleja (por ejemplo, la evolución económica de un país) que se elabora para facilitar su comprensión y el estudio de su comportamiento
1.1.3 Método [3]:
1.1.3.1 Definición: método es una palabra compuesta por otras dos del griego: meta, que significa término, fin, extremo, objeto final, y odos, que significa vía o camino. Así, fácilmente se entiende que método debe significar la vía o camino que conduce a un fin determinado, o por extensión, el modo o medio de realizar un propósito.
1.1.3.2 Comentario: esta definición presenta un problema de lógica: determinar los medios según el conocimiento que se tenga del fin. Para adoptar un camino es indispensable concebir el punto final al cual se dirige.
1.1.3.3 Reseña histórica: en el Anexo B damos una reseña del método científico que se inicia con Galileo y se perfecciona con Newton.
1.1.4 Procedimiento [4]
Definición: es un método de ejecutar algunas cosas conforme a una práctica o conveniencia. (Nota: sinónimos de método; modo, forma, manera, sistema, regla, plan.)
Hemos tomado las definiciones del Diccionario de la Real Academia Española [4] y del autor Rodolfo Rivarola [3], con comentarios, notas y ejemplos de aplicación donde corresponda.

      

2. Aplicación del método de la esfera rodante según IEC 62305-3 [1]

El método de la esfera rodante se debe emplear para identificar el espacio protegido o partes expuestas y zonas de una estructura cuando se excluye el empleo del método del ángulo de protección según la tabla A1, reproducida en el anexo A.
Aplicando este método, el posicionamiento de un sistema de captación es adecuado si ningún punto del volumen a proteger está en contacto con una esfera de radio rodando sobre el suelo, alrededor y en la parte superior de la estructura en todas las direcciones posibles. Por lo tanto, la esfera solo debe tocar la tierra y/o el sistema de captación, tal como se ilustra en la figura 5 [2].
El radio R de la esfera rodante depende de la clase del SPCR (ver la tabla A1). El radio de la esfera rodante está correlacionado con el valor I de cresta (o pico) de la corriente del rayo que impacta en la estructura: R = 10 I0,65, donde I se expresa en kAc (kA de cresta).
La figura 2 muestra la aplicación del método de la esfera rodante en diferentes estructuras. La esfera de radio rueda alrededor y sobre la estructura hasta que encuentra el plano de tierra o un objeto en contacto con el plano de tierra, que es capaz de actuar como conductor del rayo. Un impacto se podría producir donde la esfera toque a la estructura, entonces en estos puntos se requiere colocar sistemas de captación (o bien tolerar a los rayos).

Cuando se aplica el método de la esfera rodante sobre los planos de la estructura, se deben considerar todas las direcciones para asegurar que en una zona no protegida no haya ninguna saliente (un punto que se podría pasar por alto si solo se consideran las vistas frontales o laterales de los planos).
La zona protegida contra los rayos por un captador de SPCR es el volumen no penetrado por la esfera rodante cuando ella está en contacto con el captador y aplicada a la estructura.
La figura 3 muestra la protección dada por los dispositivos de captación de un SPCR según el método de la malla, el método de la esfera rodante y el método del ángulo con una disposición general de los elementos de captación.

3. Procedimiento para la colocación del sistema de captación de rayos en una estructura mediante el método de la esfera rodante

Aplicando este método, la colocación del sistema de captación es adecuada si, en función de la clase del SPCR, ningún punto de la estructura protegida está en contacto con una esfera de radio, que rueda alrededor y en la parte superior de la estructura en todas las direcciones posibles. De esta manera, la esfera solamente toca el sistema de captación (ver la figura 1, izquierda y derecha).
En todas las estructuras cuya altura sea mayor que el radio de la esfera rodante, se pueden producir descargas laterales. Cada punto lateral de la estructura tocado por la esfera rodante es un posible punto de impacto. Sin embargo, las probabilidades de descargas laterales de rayos a tierra son generalmente despreciables en estructuras con alturas inferiores a 60 metros.
En estructuras más altas, la mayor parte de las descargas alcanzará la parte superior, los bordes horizontales y las esquinas de la estructura. Solamente un pequeño porcentaje de las descargas se produce lateralmente.
Además, los datos de observación muestran que la probabilidad de descargas laterales decrece rápidamente con la altura media desde el suelo. Por tanto, se debe considerar instalar sistemas de captación laterales en la parte superior de las estructuras (normalmente, el 20% superior de la altura de la estructura). En este caso, el método de la esfera rodante se debe emplear solamente para posicionar el sistema de captación en la parte superior de la estructura (figura 1, derecha).

4. Distancia de penetración de la esfera rodante [1]

En el caso de un sistema de captación formado por dos conductores horizontales colocados por encima del plano horizontal de referencia, como se indica en la figura 4, la distancia de penetración p de la esfera rodante, en el espacio entre dos conductores y por debajo del nivel de los conductores, puede calcularse con la ecuación 1 siguiente:


La distancia de penetración p debe ser menor que la menor de las alturas ht de los objetos a proteger (el motor en la figura 4).
El ejemplo de la figura 4 también es válido para tres o cuatro puntas captadoras (por ejemplo, cuatro puntas de la misma altura h colocadas en las esquinas de un cuadrado; en este caso, d, en la figura 4 corresponde a la diagonal del cuadrado formado por cuatro puntas).

 

       

Posiciones críticas de la esfera rodante [2]
Cuando la esfera rodante "toca", es decir, hace contacto geométrico, al sistema de captores y/o la tierra (plano de tierra), pueden ocurrir las cinco posiciones críticas siguientes:
a) La esfera rueda sobre la tierra cuando se mueve a lo largo de los conductores del sistema de captores (figura 6 a).
b) La esfera rueda sobre la tierra y rota alrededor de la punta de una punta captora vertical o la esquina (vértice) de un conductor captor horizontal (fugura 6 a y b).
c) La esfera hace contacto (toca) simultáneamente con la tierra y con un SPCR en dos o más puntos (figura 6 c).
d) La esfera hace contacto simultáneamente en tres o más puntos de un SPCR cuando ella no puede rotar más sin moverse hacia arriba (figura 6 d).
e) La esfera rota a lo largo de dos conductores horizontales paralelos mientras está continuamente en contacto con ellos (figura 6 e).

      

Bibliografía consultada

[1] IRAM y AEA (documento en estudio). “Norma IRAM 2184-3 / Reglamentación AEA 92305-3 (IEC 62305-3:2010). Protección contra los rayos. Parte 3: Daños físicos a estructuras y riesgo humano.” Buenos Aires, Argentina, 2012.
[2] Comisión Electrotécnica Internacional (IEC). Comité técnico 81: Protección de iluminación. IEC 62305-3 Protection against lightning. Part 3: Physical damage to structures and life hazard. Document 81/455/DC (2013-11-08) – Draft for comments (until 2014-03-14) for IEC members.
[3] Rivarola, Rodolfo. Filosofía dispersa y amable (para educadores y educandos. Buenos Aires, Roldán, 1934.
[4] Real Academia Española, Diccionario de la lengua española, Madrid, Ediciones XXI, 1992.
[5] Corcho Orrit, Roger.: "Galileo: El método científico, la naturaleza se escribe con fórmulas". Buenos Aires, RBA Coleccionables SA, 2014.
[6] Durán Guardeño, Antonio J. :"Newton: La Ley de Gravedad, la fuerza más atractiva del Universo. Buenos Aires, RBA Coleccionables, 2014.

Anexo A

Tabla A1. Posicionamiento de captadores de rayos según los niveles de protección contra rayos NPR (definidos en las normas IEC 62305 e IRAM 2184/AEA 92305), y sus tres métodos de protección normalizados.

Anexo B

Reseña del método científico desde Galileo, y pasando por Newton
B.1 El método científico [5]

Desde Galileo (1564-1642) en adelante, hasta la actualidad, el método de la ciencia consiste en lo siguiente:

  • Proponer hipótesis, formuladas matemáticamente, que describan un aspecto de la realidad.
  • Aislar (separar) los factores que intervengan en la realidad para crear una situación artificial, y así comprobar dicha hipótesis mediante experimentos, haciendo uso de instrumentos de medición de precisión y exactitud que sean capaces de determinar si concuerdan la predicción matemática y el experimento.

El método científico se conoce como "Método hipotético-deductivo", y Galileo fue quien contribuyó a su desarrollo en todas sus fases.
B.2 El método newtoniano [6]: el método científico moderno
Según Newton (1642-1727), la esencia del método científico moderno es la elaboración de modelos matemáticos simples que se comparan con los fenómenos naturales. De estas comparaciones surgen nuevas versiones, más complicadas, de los modelos previos.
Con Newton, la matemática se convirtió verdaderamente en la esencia de la teoría física.

 

 

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