Los sistemas de protección contra rayos pueden prevenir un peligro natural que genera una potente corriente de entre 2 y 200 kA, afectando a todos los sistemas electrónicos en un radio de 2 kilómetros alrededor del impacto. Por lo tanto, sistemas de protección como pararrayos y jaulas de Faraday están diseñados para garantizar la seguridad de los edificios. Además, estos sistemas también protegen contra sobretensiones repentinas que pueden ocurrir en tan solo microsegundos y que, si no se controlan, pueden causar graves daños personales y materiales.

¿Qué son los sistemas de protección contra rayos?

Los sistemas de protección contra rayos son una solución integral de ingeniería diseñada para proteger instalaciones y estructuras de los efectos físicos y eléctricos de los rayos. Su objetivo principal es prevenir la pérdida de vidas y bienes canalizando de forma segura la energía del rayo hacia tierra.

La importancia de los sistemas de protección contra rayos

En comparación con desastres naturales como incendios, terremotos e inundaciones, los rayos y las sobretensiones ocurren con mayor frecuencia y, por lo tanto, causan mayores daños. Por ello, es fundamental equipar todos los edificios e instalaciones con sistemas de protección contra rayos . Los elementos de conmutación, los armónicos y las caídas de tensión causan importantes daños económicos, al igual que los propios rayos. En particular, debido al campo magnético y las características del pulso emitido durante un rayo, este puede penetrar las instalaciones a través de líneas paralelas. Por lo tanto, es fundamental aislar el pulso tanto como sea posible.

Es fundamental que los sistemas de protección contra rayos sean diseñados e implementados por ingenieros expertos. Incluso el más mínimo error en la implementación del sistema puede provocar el fracaso de todo el proyecto. Por lo tanto, los sistemas de protección contra rayos y puesta a tierra deben ser instalados por empresas especializadas.

Hoy en día, muchas actividades sociales, como la industria, el comercio, los servicios y la sanidad, dependen del correcto funcionamiento de los dispositivos eléctricos y electrónicos. La causa más frecuente de fallos en los sistemas son las sobretensiones repentinas, que interrumpen la transmisión de datos y dañan los equipos. Las mediciones realizadas antes y después de la instalación de los sistemas de protección contra rayos son esenciales para su correcta implementación. Los valores de resistencia obtenidos se determinan según normas específicas. El objetivo principal es dirigir la sobretensión de forma controlada. Además, el uso de un dispositivo de conexión de descarga de chispas es importante tanto para la vida como para la seguridad de los sistemas electrónicos.

Para evitar daños a equipos cada vez más sensibles, la pérdida de datos críticos y la protección de las instalaciones debido al avance tecnológico, es necesaria la implementación completa de los cuatro pasos fundamentales de un sistema de protección contra rayos. Estos pasos son:

• Sistema de puesta a tierra
• Sistema equipotencial
• Sistema externo de protección contra rayos
• Sistema interno de protección contra rayos

Estos sistemas se enumeran de esta manera y es esencial que trabajen juntos de manera integrada.

Sistemas externos de protección contra rayos

Están diseñados para capturar y transmitir de forma segura los rayos al suelo. Los sistemas más utilizados son:

Sistemas de protección contra rayos

Los sistemas de protección contra rayos constan de tres componentes principales:

• Terminales de aire (varillas) : Proyecciones verticales diseñadas para alojar la descarga de un rayo. Suelen estar equipadas con una esfera puntiaguda, lisa y pulida.
• Cables Conductores : Son estructuras pesadas que conducen la corriente del rayo desde la parte superior hasta el suelo. Recorren los bordes del tejado y se conectan a tierra en una o más esquinas bajo la estructura.
• Varillas de puesta a tierra : Son varillas largas y gruesas que se incrustan alrededor de la estructura para la conexión a tierra. Los cables conductores se conectan a estas varillas para su protección.

Aplicación de la jaula de Faraday

Las jaulas de Faraday son las preferidas para proteger estructuras de baja altura, especialmente aquellas sin edificios altos circundantes ni protuberancias afiladas. Este sistema combina un diseño de malla y un método para crear un ángulo de protección.

Las características principales del sistema son las siguientes:

• La distancia de visualización varía entre 5 y 20 metros, dependiendo de la actividad requerida.
• La distancia entre dos conductores de bajada se ajusta entre 10 y 20 metros, dependiendo del nivel de protección.
• La mayor parte de la corriente del rayo se transmite a través de los conductores y sistemas de puesta a tierra más cercanos al punto de impacto.

Además, la estructura de jaula de Faraday reduce significativamente el campo electromagnético dentro de la estructura, protegiendo así los sistemas electrónicos de los efectos magnéticos de los rayos. Además, al separar las corrientes de los rayos en varios conductores, se proporciona una protección más fiable.

Es importante destacar que los sistemas externos de protección contra rayos deben estar respaldados por una conexión equipotencial y un sistema de descargadores de sobretensiones de baja tensión para funcionar eficazmente. Esta integración aumenta la capacidad de protección del sistema y crea una estructura más confiable.

Sistemas internos de protección contra rayos

El suelo puede absorber hasta el 50% de la descarga de un rayo sobre un sistema externo de protección contra rayos. Por lo tanto, los sistemas internos de protección contra rayos son indispensables para la seguridad eléctrica de los edificios. Además, protegen las instalaciones eléctricas y los dispositivos conectados contra sobretensiones y sobrecorrientes repentinas. Estos sistemas constan de módulos de protección de clase B, C y D.

Para que todos estos sistemas funcionen eficazmente, se requiere un sistema de puesta a tierra conforme a la norma IEC 62305. Por lo tanto, la resistencia de puesta a tierra debe reducirse al orden de 5 ohmios y el sistema debe estar respaldado por una conexión equipotencial.

Protección contra sobretensión

Los sistemas internos de protección contra rayos protegen contra sobretensiones dirigidas a los sistemas dentro de un edificio debido al acoplamiento inductivo-capacitivo y a las diferencias de potencial. En particular, incluso un rayo a 2 km de un edificio puede causar el mismo efecto.

Los sistemas de protección contra sobretensiones se clasifican de la siguiente manera:

• Clase B (Tipo 1) : Utilizados en paneles de entrada principales, estos sistemas están diseñados para limitar los efectos de los rayos de alta energía.
• Clase C (Tipo 2) : Utilizados en subpaneles, estos sistemas protegen a los equipos contra sobretensiones que se producen en la red.
• Clase D (Tipo 3) : Desarrollados para la protección de dispositivos electrónicos sensibles, estos sistemas proporcionan protección directa al propio dispositivo.

Seguridad de dispositivos electrónicos

Los sistemas de protección contra rayos también son fundamentales para la protección de dispositivos electrónicos. Muchos componentes utilizados en los sectores comercial e industrial contienen circuitos electrónicos sensibles. Por lo tanto, necesitan protección contra corrientes de entre 30.000 y 300.000 amperios generadas durante las descargas de rayos.

Se utilizan módulos diseñados específicamente para proteger estaciones transmisoras y receptoras, en particular las que pertenecen a sistemas de comunicación. Además, en aplicaciones donde la transmisión de señales se realiza mediante cable coaxial, como computadoras, sistemas de procesamiento de datos o sistemas de video, se prefieren los módulos adaptadores con conectores de clase D para evitar daños a los dispositivos causados por sobretensiones provenientes de las líneas de señal.

Además, los sistemas de protección contra sobretensiones son importantes para proteger los dispositivos electrónicos domésticos. Estos sistemas brindan protección contra peligros como sobretensiones breves, armónicos, subidas y bajadas de tensión provenientes de la red eléctrica.

Un punto importante es que un sistema externo de protección contra rayos por sí solo no será suficiente. Un rayo puede dañar todos los dispositivos en un radio de 2 km tras caer. Por lo tanto, también se debe utilizar un sistema de protección contra sobretensiones de baja tensión.  

Selección de sistemas de protección contra rayos

Este es un proceso de ingeniería que requiere una planificación cuidadosa según las características y los factores de riesgo de la estructura. Durante este proceso, se deben considerar las características estructurales del edificio, las condiciones geográficas y los factores de costo.

Sistemas según tipología de edificación

Los sistemas de protección contra rayos varían según el tipo de edificio. Los edificios que almacenan materiales explosivos e inflamables, teatros, escuelas, hospitales, bancos, hoteles y edificios públicos requieren sistemas de protección especiales. Además, instalaciones críticas como centrales eléctricas, centros de distribución de agua y gasolineras también requieren medidas de protección especiales.

Para cada edificio, se deben seleccionar sistemas que cumplan con las normas TS 622, TS IEC 61024 y el Reglamento de Protección contra Incendios de los Edificios. Además, se deben integrar sistemas de protección contra rayos externos e internos según los resultados del análisis de riesgos del edificio.

La influencia de las condiciones geográficas

Las características de los rayos en la región son importantes en la selección del sistema. Al realizar un análisis de riesgos, se deben tener en cuenta los datos meteorológicos y las condiciones ambientales.

Efectos de los daños causados por rayos

Cada año, millones de rayos caen en todo el mundo, causando daños considerables. Sus efectos pueden analizarse en tres categorías principales.

Riesgos de seguridad para la vida

Los rayos pueden tener consecuencias fatales para la salud humana. En caso de impacto directo, pueden causar paro respiratorio y paro cardíaco. Además, pueden causar quemaduras graves, daño nervioso y problemas neurológicos permanentes.

Daños en el sistema electrónico

Los rayos causan daños importantes a los sistemas electrónicos. En concreto, un solo rayo puede afectar a todos los dispositivos electrónicos en un radio de 2 km. Estos efectos incluyen:

• Daños en las fuentes de alimentación
• Los sistemas de automatización están desactivados.
• Fallos ocurridos en líneas de comunicación y datos.
• Fallos que ocurren en los sistemas de cámara y conmutador.

Pérdidas económicas

Las repercusiones económicas de los daños causados por rayos son considerables. Los daños a las instalaciones de generación de energía, en particular, tienen las siguientes consecuencias:

• Pérdida de ingresos como consecuencia de la paralización de la producción.
• Pérdidas en los sistemas de energía in situ
• Fallos en los sistemas de datos
• Daños físicos al equipo de campo.

Además, los rayos suponen riesgos de incendio y explosión. Esto puede ocasionar mayores pérdidas económicas, especialmente en instalaciones que contienen materiales inflamables y explosivos. Además, los efectos del campo electromagnético resultantes de los rayos pueden causar daños indirectos a los sistemas. Los costes de reparación de estos daños pueden ser bastante elevados.

El papel fundamental de la conexión a tierra en los sistemas de protección contra rayos

Existe una estrecha relación entre la conexión a tierra y la protección contra rayos para la seguridad de los sistemas eléctricos. Un sistema de conexión a tierra protege los edificios y los equipos electrónicos al reducir los efectos de los rayos.

Requisitos básicos de puesta a tierra

La puesta a tierra básica es el método más fundamental aplicado en instalaciones con fuertes corrientes y potencia el efecto de la ecualización de potencial. Se han determinado los siguientes requisitos técnicos para este sistema:

• Utilización de fleje galvanizado (mínimo 20-30 metros de largo)
• El diámetro de las varillas conductoras debe estar entre 12,5 mm y 40 mm.
• La resistencia de puesta a tierra debe mantenerse baja.

El electrodo de puesta a tierra de cimentación debe construirse como un anillo cerrado y colocarse en los cimientos de los muros exteriores del edificio. Además, en edificios grandes, el electrodo de puesta a tierra de cimentación debe dividirse en secciones de 20 x 20 metros.

Sistema de conexión equipotencial

El sistema de conexión equipotencial garantiza la seguridad al evitar las diferencias de tensión que puedan producirse entre dos puntos cualesquiera dentro de la instalación. Los puntos que deben conectarse a este sistema son los siguientes:

• Electrodo de puesta a tierra del sistema de comunicación
• Puesta a tierra de los cimientos del edificio
• Tuberías de agua fabricadas en material conductor.
• Sistema de calefacción central
• Instalación de antena
• Dispositivos de protección contra sobretensiones

En particular, todas las partes metálicas de las estructuras de acero deben estar conectadas a tierra para lograr una buena puesta a tierra. Además, cabe recordar que los sistemas de puesta a tierra pueden deteriorarse o perder su eficacia con el tiempo.

Mediante el uso de polvo reductor de resistencia de puesta a tierra , se puede mantener la resistencia alcanzada durante toda la vida útil del sistema. Este material ofrece una solución ideal para suelos con baja conductividad y aumenta la resistencia a las heladas en aproximadamente un 10 %.

Los sistemas de protección contra rayos se consideran indispensables en los edificios modernos. Su importancia ha aumentado aún más, especialmente con el uso generalizado y la mayor precisión de los sistemas electrónicos. El diseño e implementación integrados de sistemas externos, internos, de puesta a tierra y de conexión equipotencial son esenciales. Invertir en sistemas de protección contra rayos es crucial para prevenir posibles pérdidas de vidas y daños materiales. Por lo tanto, se recomienda consultar a ingenieros expertos durante las fases de diseño e instalación, y no se deben descuidar las inspecciones y el mantenimiento periódicos. Además, los sistemas deben mantenerse actualizados siguiendo los avances tecnológicos.

Preguntas frecuentes

¿Por qué son importantes los sistemas de protección contra rayos?

Los sistemas de protección contra rayos son cruciales para prevenir pérdidas de vidas y daños materiales. Estos sistemas garantizan la seguridad de los edificios y sus ocupantes, previniendo incendios, cortes de electricidad y daños a los equipos electrónicos que pueden resultar de la caída de rayos.

¿Cuáles son los componentes básicos de los sistemas de protección contra rayos?

Los sistemas de protección contra rayos suelen constar de tres componentes principales: un sistema de terminales aéreas (captura de rayos), un sistema de bajantes y un sistema de puesta a tierra. Estos componentes trabajan en conjunto para canalizar la energía del rayo a tierra de forma segura.

¿Cuál es la diferencia entre un pararrayos y una jaula de Faraday?

Un pararrayos es una varilla puntiaguda, generalmente colocada en el punto más alto de una estructura, cuyo objetivo es capturar el rayo en un solo punto. Una jaula de Faraday, por otro lado, es un sistema de malla conductora que rodea completamente la estructura y proporciona una protección más completa al distribuir la energía del rayo por toda la superficie del edificio.

¿Por qué son necesarios los sistemas internos de protección contra rayos?

Los sistemas internos de protección contra rayos protegen los dispositivos electrónicos y sistemas eléctricos de un edificio contra sobretensiones y sobrecorrientes. Estos sistemas evitan daños a los sistemas internos causados por la energía que los sistemas externos de protección contra rayos no pueden capturar ni transmitir.

¿Con qué frecuencia se debe realizar el mantenimiento de los sistemas de protección contra rayos?

Se recomienda inspeccionar y mantener regularmente los sistemas de protección contra rayos, al menos una vez al año. Sin embargo, este período puede variar según las condiciones climáticas y la frecuencia de caída de rayos en la región donde se ubica el sistema. El mantenimiento regular es fundamental para mantener la eficacia y la fiabilidad del sistema.