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Es durante fuertes contrastes de temperaturas (tormentas de calor) que se forman esos nubes muy particulares : los cumulo-nimbus.

En estos nubes, de varios kilómetros de altura, fuertes corrientes ascendientes producen grandes cantidades de agua y de hielo. La mezcla en el interior de estas nubes produce cargas eléctricas que se agrupan en lugares lejos, con las cargas positivas arriba, y cargas negativas abajo.

Cuando la fuerza dieléctrica del espacio entre dos zonas lejos ya no está suficiente, se produce un cebado (chispa gigante). El rayo es el evento visible de este cebado. Es una descarga eléctrica muy violenta y corta, pasando por el espacio desde la nube hacia el suelo.

Los rayos son las descargas localizadas entre las nubes. Francia está impactada por el rayo cada año entre 1 y 2 millones de veces, dependiendo de las condiciones meteorológicas. Esa frecuencia está variable desde un punto hasta el otro punto del territorio.

Para los impactos del rayo, hay dos tipos: ascendientes o descendientes. Son determinados por la dirección del leader (avance del rayo, que preparar el camino hasta el rayo).

Los rayos nube-suelo se designan dependiendo de la polaridad y sentido de propagación del primer trazador.

Así tenemos los rayos siguientes :

El impacto del rayo descendiente negativo proviene de un trazador descendiente desde la parte negativa de la nube de rayo, propagando hasta el suelo con velocidad de 70 a 1200 km/s. A poca distancia de este trazador, se emite otro trazador, ascendiente. Cuando se encuentran estos dos trazadores, la descarga se genera y consiste en una transferencia de electrones de la nube hacia el suelo. Esos son más frecuentes.

El impacto rayo descendiente positivo es muy raro y, en general, con potencia importante. Se observa principalmente durante las tormentas de invierno. Los más importantes se llaman superbolts y aún megabolts. Este tipo de rayo proviene de un trazador descendiente empezando en la carga positiva de la nube, propagando con velocidad desde 500 a 2500 km/s.
Generalmente, se trata de rayos muy importantes ocurriendo en fase final del rayo, cuando la parte negativa está menos densa, y que no influye el suelo al invirtiendo su polaridad. Cuando el contacto está establecido, se realiza después una transferencia de cargas positivas desde la nube hacia el suelo.

El impacto rayo ascendiente negativo viene de una carga ascendiente negativa. Este trazador camina con una velocidad aproximada de 80 a 460 km/s. Cómo todas las descargas ascendientes, empieza a partir de una asperidad al nivel del suelo (montaña, antena de telecomunicación,…) y se propaga hacia una zona de la nube cargada positivamente. A poca distancia de este trazador, un trazador descendiente se emite a partir de la nube. Cuando se encuentran estos dos trazadores, la descarga se genera y consiste en una transferencia de electrones de la nube hacia el suelo.

El impacto rayo ascendiente positivo empieza con un trazador ascendiente propagando a una velocidad entre 40 a 70 km/s al suelo, y que puede alcanzar más o menos 1000 km/s en altitud. Este trazador viene de una carga positiva ascendiente al suelo. Estos trazadores van a propagarse hacia la nube cargada negativamente. Cuando se acercan, otro trazador, descendiente de la nube. Cuando se encuentran estos dos trazadores, la descarga se genera y consiste en una transferencia de electrones de la nube hacia el suelo.

Una idea interesante. Algunos científicos han estudiado esta cuestión.Pero por el momento, no hay solución para recuperar esta energía, ni para almacenarla después. La descargua de un rayo dura aproximadamente medio segundo, lo que hace que se uso sea aún más complicado.

5 etapas deben ser respectadas para una protección eficaz contra el rayo. En este contexto, el gabinete de estudio France Paratonnerres puede acompañarle durante estas etapas :

• Análisis del Riesgo Rayo : identificación de los equipos que deben ser protegidos.
• Estudios técnicos (ET) : detalle de las medidas de prevención y dispositivos de protección que deben ser instaladas.
• Suministro de material : protección contra los efectos directos e indirectos del rayo.
• Instalación del material : en conformidad con el estudio técnico via una red de instaladores formados y calificados.
• Verificación periódica : verificación inicial por una persona tercera, mantenimiento y verificación anual de las protecciones instaladas.

En Francia, las Instalaciones Clasificadas para la Protección del Medioambiente llamadas “ICPE” son sitios industriales, terciarios o agrícolas (fábricas, tratamiento del agua, edificios de almacenamiento, hospitales…) susceptibles de presentar riesgos o generar polución o molestar a los habitantes para la salud pública, el patrimonio y medioambiente. El operador de un sitio ICPE tiene la obligación de analizar el riesgo relativo al rayo (según las normas NFC 17-102 y EN 62305-2) de su instalación si su estructura está sometida a autorización en una parte del Decreto Ministerial del 19 de julio de 2011.

Decretos ministeriales relativos a los ERP (establecimientos recibiendo público), lugares de cultos, almacenamiento de productos alimentarios, almacenamiento de fertilizantes, centros de clasificación de residuos, instalaciones nuclearias, depósitos cubiertos de materias combustibles, establecimientos pirotécnicos, explotaciones avícolas, hoteles, restaurantes y refugio de altitud, definen también la reglamentación para la verificación e instalación de un sistema de protección contra el rayo.

El nivel de protección se determina en función de varios criterios, como el tamaño del edificio, la actividad tormentosa de la zona, el uso del edificio, el número de servicios conectados, la ubicación, el entorno del edificio, etc…

Para ayurdarle a determinar el nivel de protección contra el rayo necesario en su estructura, existen soluciones.

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El nivel keraúnico (Nk) corresponde al número de rayos y, más precisamente, al número de impactos de rayos oídos en una zona determinada.

La densidad de impactos de rayo (Ng) es el número de impactos de rayo por km² y por año.

La densidad de puntos de contacto del rayo al suelo (Nsg) es el número medio de los impactos del rayo al suelo por km² y por año.

Se considera que el rayo impacta más o menos 1 de cada 10 truenos oídos, entonces Nk (nivel keraúnico) = 10 Ng

A continuación se muestra el mapa de la densidad de los puntos de contacto del rayo al suelo (Nsg) en Francia a partir de la norma NF C 17-102 (2011) basada en los datos proporcionados por Météorage:

A continuación es la carte del mundo con la densidad de impactos de rayos (Ng) medida por la NASA :

Los pararrayos son dedicados a proteger un edificio de los impactos directos del rayo, orientando las descargas atmosféricas hacia el suelo. El principio consiste en crear uno o varios puntos de impactos preferenciales del rayo, con elementos conductores con baja impedancia, y después disipar el corriente en el suelo.

Además del pararrayos, el protector contra sobretensiones garantiza la protección interna del edificio contra las sobretensiones de gran amplitud que dañan o destruyen las instalaciones y los aparatos eléctricos y electrónicos. Permitirá limitar la tensión desviándola hacia la tierra del edificio.

Un protector contra sobretensión es un aparato de protección electrónico actuando cómo una impedancia variable, dependiendo de la tensión a sus bornes:

• En funcionamiento normal (no impacto rayo) el protector contra sobretensiones es cómo un circuito abierto para el resto de la instalación
• Al momento del impacto rayo, el protector se vuelve “pasando” (aumentación importante y rápida de la tensión). El protector tiene entonces una función doble : descargar la sobre-intensidad y limitar la sobre-tensión.

Los protectores están clasificados de la manera siguiente :

• El protector contra sobretensiones de tipo 1 (dicho “protector de equipotencialidad”) deber ser localizado en el armario de distribución eléctrico principal, en parte entrante. Puede desviar la energía de un impacto rayo directo. Entonces, permite descargar el retorno de corriente rayo que se propaga desde el conductor de tierra hacia los conductores de la red. Los protectores contra sobretensiones de tipo 1 se caracterizan por una onda de corriente 10/350 µs. La norma NF C 15-100 (ed. 2002) obliga a instalar protectores tipo 1 en las instalaciones equipadas de pararrayos.
• El protector contra sobretensiones de tipo 2 es la protección principal de todas las instalaciones eléctricas baja tensión. Instalado en cada armario de distribución eléctrico, evita así la propagación de las sobretensiones en las instalaciones eléctricas, y protege a los receptores. Los protectores contra sobretensiones de tipo 2 se caracterizan por una onda de corriente de 8/20 µs.
• El protector contra sobretensiones de tipo 3 tiene una capacidad de flujo débil. Así debe ser instalado en complemento de los protectores de tipo 2 y cerca de los receptores sencillos. Los protectores de tipo 3 se caracterizan por una combinación de ondas de tensión (1,2/50 µs y corriente 8/20 µs.

• Pararrayos de barra simples
• Pararrayos con jaula de Faraday
• Pararrayos de hilos armados
• Pararrayos con dispositivo de cebado (PDC)

El pararrayos de barra simple se compone de una punta metálica aguzada, con altura de 2 a 8 metros arriba de la estructura que debe ser protegida. Este pararrayos está conectado a 2 conductores de bajada mínimo, y dos tomas de tierra. El radio de protección de este tipo de pararrayos se limita a 30 m más o menos (Nivel de protección IV, altura = 60 metros). Se dedica más específicamente a pequeñas estructuras o zonas cómo torres, chimeneas, tanques, torres de agua, mástiles de antenas… La norma EN 62305-3 describe el proceso de instalación de este tipo de pararrayos.

Se necesitan13 Barras simples, 13 conductores de bajada, y 13 tomas de tierra para garantizar la protección contra el rayo de la estructura más abajo :

El pararrayos de jaula de Faraday se compone de una malla, en el tejado y en la fachada, acercando la estructura a proteger. En el tejado, se instalan puntas captadoras en los bordes del tejado y en los puntos altos. Se instala una red de conductores en el perímetro exterior del tejado. Se completa está red con conductores transversales. El tamaño de las mallas entro 5 y 20 metros, depende de la eficacia deseada para la protección. En la fachada, conductores de bajada se conectan en parte alta a la malla del techado y en la parte baja de la tomas de tierras específicas. La distancia entre los dos conductores de bajada es de 10 a 25 metros, dependiendo de la eficacia deseada para la protección. La norma EN 62305-3 describe el método de instalación de este tipo de pararrayos.

La instalación de este tipo de pararrayos es frecuentemente difícil y costosa debido a la complexidad de las estructuras a proteger.

Se necesitan 26 puntas captadoras, 26 conductores de bajada y una toma de tierra en bucle cerrada para garantizar la protección contra el rayo de la estructura siguiente :

El pararrayos con hilos armados es un sistema un poco similar a la jaula Faraday, porque se constituye de una malla de conductores distantes de la estructura a proteger, por objetivo de evitar que el corriente del rayo sea en contacto con la estructura.

Hilos armados conductores se instalan por encima de la estructura a proteger, conectados a conductores de bajada y tomas de tierras específicas. El ancho de las mallas y distancia entre los conductores de bajada deben respetar las mismas reglamentaciones que la jaula Faraday. La norma EN 62305-3 describe el proceso de instalación de este tipo de pararrayos. La instalación de este tipo de pararrayos es frecuentemente difícil y costosa debido a la complexidad de las estructuras a proteger.

El pararrayos con dispositivo de cebado PDC es un pararrayos que permite generar de forma artificial (con un dispositivo de ionización) un trazador ascendiente más temprano que un pararrayos de barra simple, y así, establecer un punto de impacto específico en la punta. La captura del impacto del rayo está más rápida que con un pararrayos de barra simple. Esta tecnología permite beneficiar de zonas de protección más largas, garantizando la protección de estructuras con dimensiones importantes. El radio de protección generado depende del valor del avance de cebado del pararrayos (Δt en µs), de su altura, y de la eficacia de la protección. El radio de protección garantizado por este tipo de pararrayos es de 120m (Nivel de protección IV, altura = 60 metros, avance de cebado de 60 µs) La norma NFC 17-102 describe el proceso de instalación de este tipo de pararrayos.

La instalación de este tipo de pararrayos está muy simple y con bajo costo, en comparación con las otras tecnologías. Permite proteger un conjunto de edificios con el mismo pararrayos, permite proteger una estructura y su medioambiente, permite la protección de zonas abiertas y se integra muy bien en la arquitectura de una estructura sin alterar a la estética.

Se necesita 1 PDC, 2 conductores de bajada, y 2 tomas de tierra rayo para garantizar la protección contra el rayo siguiente :

El avance de cebado de un Pararrayos con Dispositivo de Cebado (PDC) es el ahorro de tiempo medido en labotorio en comparación con un pararrayos de un clásico pararrayos. Cuanto mayor sea el tiempo de avance, mayor será la eficacia.

Nuestra gama de pararrayos IONIFLASH MACH NG se compone de cinco modelos, por lo que ofrecemos cinco avances de cebado diferentes : 15µs / 25µs / 30µs / 45µs / 60µs.

El radio de protección de Pararrayos con Dispositivo de Cebado (PDC) depende de eficacia, de la altura a la que se instala en relación con la superficie a proteger y del nivel de protección elegido según de la fórmula de cálculo extraída de la norma NF C 17-102 ed. 2011.

El radio de protección se establece a partir de 2 m por debajo de la punta del pararrayos.

Los radios de protección de nuestros pararrayos IONIFLASH MACH NG se resumen en esta tabla: