La carga eléctrica es aquella propiedad que tiene la materia de ser influenciada por fuerzas de atracción o repulsión a través de campos electromagnéticos.
La materia puede tener tres tipos de carga eléctrica:
- Neutra
- Positiva
- Negativa
La materia cargada de manera positiva o negativa genera un campo eléctrico. Cuando dos cuerpos contrariamente cargados se encuentran se produce un intercambio de energía, el cual provoca una descarga eléctrica que tiene como fin el equilibrio de cargas de ambos cuerpos.
La descarga atmosférica, conocida comúnmente como rayo, es la igualación violenta de cargas de un campo eléctrico que se ha creado entre una nube y la tierra o, entre nubes.
Tipos de descargas atmosféricas
- Nube-ionosfera: Es la descarga que se produce desde la parte superior de las nubes hacia la ionosfera.
- Nube-nube: Son el tipo de descargas eléctricas más comunes en la atmósfera, ocurren entre dos cargas opuestas de la misma nube o con nubes adyacentes.
- Nube-tierra: Se presentan cuando hay trasferencia de cargas eléctricas entra la atmósfera y la tierra, la mayoría de estas descargas se presentan desde las nubes hacia la tierra (descargas descendentes), pero también es posible que se presenten desde la tierra hacia las nubes (descargas ascendentes).
- Tierra- nube: Se presentan cuando hay trasferencia de cargas eléctricas desde la tierra a las nubes.
Sistemas de protección contra descargas atmosféricas
Son un conjunto de elementos utilizados para proteger un espacio contra el efecto de tormentas eléctricas. El cual tiene como objetivo el interceptar, conducir y disipar una descarga atmosférica de manera confiable a tierra y así, proteger la vida humana y la integridad de la estructura. Existen dos tipos:
- Sistemas de protección externa: Busca disipar o canalizar la energía de un rayo de manera segura.
- Sistemas de protección interna: Son usados para mitigar los riesgos que podrían presentarse como consecuencia de la energía de un rayo.
También, existen normas establecidas para regular este procedimiento como son:
Nacional
• NOM-001-SEDE-2012
Referencia
• NMX-J-549-ANCE-2005 SISTEMA DE PROTECCIÓN CONTRA TORMENTAS ELÉCTRICAS
Internacional
• NFPA 780 NORMA PARA LA INSTALACIÓN DE SISTEMAS DE PROTECCIÓN CONTRA RAYOS
Metodología de riesgos de rayos
Esta metodología nos proporciona una evaluación del riesgo de rayos que puede presentar un edificio o estructura y así poder determinar si se requiere o no un sistema de protección contra descargas atmosféricas. Este método toma en cuenta los siguientes criterios:
- Ambiente de la Construcción.
- Tipo de construcción.
- Ocupación de la estructura.
- Contenidos dentro de la estructura.
- Consecuencia de los rayos.
Frecuencia anual promedio de impacto de rayo a una estructura u objeto
El primer paso para el análisis es determinar qué tan frecuentemente podría un rayo impactar sobre la estructura u objeto de estudio. Para determinar la amenaza anual de ocurrencia de una descarga atmosférica a un edificio u objeto ocuparemos la siguiente ecuación:
Donde:
Nd= Frecuencia anual de un rayo a la estructura u objeto.
Ng= Densidad de rayos a tierra por metro cuadrado dada en rayos/m2/año.
Ae= Área de recolección de la estructura en m2.
C1= Coeficiente Ambiental.
Densidad de rayos a tierra
El número anual de rayos a tierra por metro cuadrado (Ng), se puede localizar en los mapas de isodensidad de rayos establecidos en la NMX-J-549 Apéndice D. 2, donde nos muestran los mapas de cada estado de la república mexicana.
En el plano se muestran isolíneas que representan el promedio anual de rayos que caen en un lugar determinado.
La unidad DRT es la expresión de los rayos/ km2/año.
El valor de cada isolínea en el mapa es de 0.25 y debe tomarse el nivel superior de la isolínea que corresponda a la ubicación de la instalación a proteger.
Área de recolección de la estructura
El área de recolección de la estructura (Ae), expresa el área equivalente de tierra que tiene la vulnerabilidad de recibir un rayo.
El área equivalente de vulnerabilidad de una estructura se obtiene extendiendo una línea con una pendiente de 1 a 3 desde la parte superior de la estructura hasta el suelo, completamente alrededor del edificio, es decir, por cada metro de altura se debe extender 3 metros alrededor la proyección de captura del rayo, este factor puede ser determinado de manera matemática o gráfica.
El área de recolección equivalente de una estructura cuadrada con longitud L, ancho W y altura H es la siguiente;
Factor de localización
El factor de localización (C1), explica la topología de sitio en la que se encuentra la estructura y cualquier objeto que se encuentre dentro de la proyección dada por la expresión 3H que puede afectar el área de recolección de la estructura. Esta está dada por la siguiente tabla:
Con estos factores podemos obtener la frecuencia de rayos (Nd), cuyo valor es necesario para la evaluación simplificada de riesgos.
Frecuencia tolerable de rayos
La frecuencia tolerable de rayos (Nc), es una medida de riesgo de daños a la estructura, la cual toma en cuenta factores de riesgo, contenido de la estructura y perdidas ambientales.
La frecuencia tolerable de rayos es expresada por la siguiente fórmula:
Donde:
El valor predeterminado de la frecuencia tolerable de pérdidas de propiedad es de 
El coeficiente C es el producto de los coeficientes estructurales C2 a C5
Los coeficientes estructurales son obtenidos por las siguientes tablas:
Evaluación simplificada de riesgos
La evaluación de riegos simplificada calcula la frecuencia tolerable de rayos (Nc) y la compara con la frecuencia anual de rayos (Nd) y de acuerdo con el resultado determinar la necesidad de un sistema de protección contra descargas atmosféricas.
En KINENERGY contamos con especialistas que te pueden orientar a garantizar la seguridad de tu personal y proyecto contra descargas atmosféricas, contáctanos para saber más.
Héctor Ilhuicatzi
Ingeniero Eléctrico Jr.
Héctor cuenta con más de 4 años de experiencia en Ingeniería Eléctrica y ha colaborado en más de 30 proyectos del ámbito industrial y comercial en México, destacando su participación en los proyectos de Refinería DUBA en Tampico Madero y oficinas del INHA en la Torre Latinoamericana. Héctor disfruta la lectura clásica y género de música.
