Lightning protection

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El proteger a los equipos en instalaciones de posibles descargas eléctricas o rayos deberá ser una prioridad. Una descarga provocada por un rayo puede generrar corrientes entre 10,000 a 50,000 amperes con un incremento del 10% al 90% entre 1 y 10 microsegundos. Estas variaciones de voltaje son generalmente determinadas más por la reactancia inductiva que por la resistencia de la Corriente Directa (D.C. en inglés) al camino de la descarga eléctrica en búsqueda de tierra.

Para proteger los equipos y cualquier creatura viva, debemos asegurarnos de evitar que ellos se conviertan en un elemento conductivo para las descargas eléctricas, esto lo hacemmos manteniendo sus alrededores el mismo potencial eléctrico.

A holistic engineering approach for achieving this in a specific installation might consist of the following steps:

  1. identificar las zonas que queremos proteger.
  1. Especificar los elementos que se quieren proteger dentro de la zona designada de protección, y cuantificar el nivel de protección deseado para cada elemento.
  1. Identificar todos los posibles caminos o vías por las cúales las descargas eléctricas peligrosas podrían encontrar su camino para entrar a la zona de protección. Estos caminos o vpias generalemente incluyen:
    1. Descargas directas: hay que capturar a estas, y desviarlas hacia la tierra.
    2. Variaciones en la Corriente Alterna (A.C. en inglés) en las líneas eléctricas: instalar reguladores de voltaje (SPD - Supresores de Transitorios de Voltaje) para desviar las variacioens de corriente hacia la tierra, se pueden utilizar diferentes niveles de protección para alcanzar el nivel específico de protección.
    3. Variaciones en cableado de datos, cables de comunicaciones y controladores: instalar reguladores de voltaje (SPD - Supresores de Transitorios de Voltaje) para desviar las variacioens de corriente hacia la tierra, se pueden utilizar diferentes niveles de protección para alcanzar el nivel específico de protección.
    4. Corrientes volátiles en la tierra: instalar un anillo conductivo equipotencial debajo del grado alrededor del edificio, unido al sistema de tierra.
    5. El acoplamiento inductivo de corrientes de rayos: Este es más que nada un problema para los cables y equipos montados en la torre cuando la torre recibe una descarga eléctrica por un rayo. Agrupar todos los cables y conectores que van a la torre, juntarlos en ambos extremos y hasta 20 m a lo largo de l atorre, ya sea directamente (utilizando protectores de cable coaxial que los conecten a la tierra) o utilizando protectores de variaciones de voltaje (SPD, Surge Protective Device en inglés)
    6. Acoplamiento de capacitores: Este es un problema muy extremo separado de nosotros.
    7. Diseñar un sistema de tierra adecuado que absorba la potencia de descargas eléctricas así como las variaciones de voltaje.
    8. Juntar todas las tierras.
    9. Instalar dispositivos de protección contra descargas eléctricas.
    10. Monitorear y mantener el sistema de protección.

El sistema para conectar con la tierra es el principal para cualquier plan para lidiar contra descargas eléctricas, similar al rol que tiene el sistema de drenaje en contra de tsunamis. Debemos hacer todo lo que este en nuestras manos para minimizar al mimso tiempo la magnitud y duración de la diferencia de voltaje causada por el flujo de electrones, esto se logra al proveer un camino de baja inductancia hacia la tierra para la corriente eléctrica. Una vez relizado esto, debemos diseñar una forma para mantener lo que quede de esta corriente eléctrica lejos de dañar nuestros equipos. Baja inductancia es la clave: un par de varillas enterradas profundamente en la tierra, conectadas por medio metro o más de alambre de uso rudo deberían ser una tierra adecuada para un sistema de distribución de 60 Hz, pero no para 20kA causada por una descarga eléctrica de un rayo, con la mayorñia de su energía concentrada entre decenas y cientos de kilohertz. Para esto se necesitará un sistema de baja inductancia de multiples radiales con multiples varillas enterradas en la tierra distribuidas al rededor.

Las torres son estructuras con tierra de alguna forma más altas que el terreno que las rodea, y estas por su naturaleza al ser puntos más altos que el resto del terreno, atraen rayos y descargas eléctricas. Torres con una altura mayor a 100m pueden de hecho estar en un riesgo mayor, pero nosotros no deberíamos estar preocupados en las comunidades donde existe el sistema de telefonñia comunitaria, ya que la mayoría de las torres y mástiles tienen una altura entre 10m y 20m. De acuerdo a las fórmulas en [1] (Vol. 1, 3.5.1), el radio de atracción de una estructura conductiva de una altura mayor a 20m es alrededor de 124m, correspondiendo a un área de atracción de .048 km^2. En nuestra latitud de 17 grados al Norte de Oaxaca, podríamos esperar un 13% de destellos de rayos que vayan desde las nubes hasta la tierra. Suponiendo que la densidad de un destello de 20 destellos de rayos por km^2 por año, podríamos esperar que nuestras torres de 20m reciban una descarga directa por rayo una vez cada 8 años. La torre misma debería estar siempre conectada a un sistema de baja inductancia conectada a la tierra. Para prevenir fuegos, cada uno de los cables deberá mantenerse cerca a la torre sujetandolo en cada una de sus terminales y en segmentos de cada 20m, ya sea a través de materiales protectores y aislantes o tierra, o a través de Sistemas de protección de variaciones de voltaje.

Los cables que estén conectadosa una torre que necesiten estar dentro de un edificio deberán hacerlo entrenado a través de un panel de metal pegado lo más que se pueda a la tierra. Esta panel de entrada deberá estar conectado al anillo de equipotencialidad del edificio exactamente en el lugar con la inductancia má sbaja que sea posible, usualmente a través de un alambre de uso rudo de cobre. Este panel idealmente servirá como el único punto de tierra del edificio. Los dispositivos de supresión de descargas eléctricas para todos los cables que entren al edificio, deberán ser colocados en este punto.

En la mayoría de las instalaciones, las variaciones de voltaje provenientes de la corriente A.C. de los cables de tensión son mucho más comunes, que la posibilidad de que una torre sea alcanzada por una rayo, o que este rayo caiga en el edificio. Por lo tanto este problema debe ser resuelto de forma más urgente. Los equipos de supresión de variaciones de voltaje, deberán ser instalados como una forma de defensa profunda para cualquier equipo que queramoms proteger. Es una práctica común instalar un equipo de supresión de variación de voltaje para conectar los cables que llevan la electricidad al edificio, dicho equipo absorberá la mayoría de la energía proveniente de una variación de voltaje, pero solamente se sujeta a la línea eléctrica a un alto voltaje, entre 600 y 1200 voltios, por ejemplo. Y después en sub ramas del circuito y en el punto donde un usuario se conectaría, podemos poner otro sistema de regulación de voltaje, este se puede conectar a una línea de voltaje más bajo, una vez que la variación de voltaje ha sido decapitada por el flujo de sistemas de regulación de voltaje y ha sido convertido a una corriente baja por el flujo conectado por la inductancia de los cables.

Point-of-use SPD's marketed mainly to consumers, such as multicontact surge-suppressing outlet strips, rarely come with useful specifications. The number of Joules absorbed doesn't tell us very much (this depends a lot on the applied waveform), nor does the turn-on time of the devices used to clamp the voltage (delays due to wiring inductance will usually be much greater anyway). It's far more meaningful to us to know what the maximum voltage clamping level is under what current waveform conditions. There are various standard test waveforms in common use. The most common of these, at least in the U.S., is probably the 1.2/50-8/20us combination waveform described in ANSI/IEEE Std C62 (see below). There are others, and there is still much debate as to how well various standard test waveforms model actual lightning events. In the 1990's, NEMA (U.S. National Electrical Manufacturers' Association) issued a standard, LS-1, defining a common format for specifying SPD's. It was withdrawn (by the invisible hand?) in 2009 because of controversies associated with its use in marketing. Various performance and safety standards have been developed by the likes of the IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers), IEC (International Electrotechnical Commission) and U.L. (Underwriters' Laboratories, U.S.). Unfortunately, these performance and safety-conscious folks keep their standards locked up behind a paywall. Of the IEEE publications relevant to SPD's, the most important are:


  • IEEE Std C62.41.1, "Guide on the Surge Environment in Low-Voltage (1000 V and less) AC Power Circuits"
  • IEEE Std C62.41.2, "Recommended Practice on characterization of Surges in Low-Voltage (1000 V and less) AC Power Circuits"
  • IEEE Std C62.45, "Recommended Practice on Surge Testing for Equipment Connected to Low-Voltage (1000 V and Less) AC Power Circuits"

Other publications and standards:

  • U.L. 1449 is a U.S. safety and performance standard for SPD's, for both manufacturers and users.
  • IEC SC37A is a European standard.


Further reading:

[1] U.S. Dept. of 'Defense', "MILITARY HANDBOOK: GROUNDING, BONDING AND SHIELDING FOR ELECTRONIC EQUIPMENTS AND FACILITIES", MIL-HDBK-419A, Dec. 29, 1987

https://www.wbdg.org/ccb/FEDMIL/hdbk419a_vol1.pdf https://www.wbdg.org/ccb/FEDMIL/hdbk419a_vol2.pdf

Very comprehensive. Volume 1 is theory, volume 2 is applications. "If only they had used their powers for Good, instead of Evil..."

[2] Bogdan “Bogey” Klobassa, "A Lightning Protection System for Wireless Telecom Sites", Above Ground Level, Dec. 2010

http://www.timesmicrowave.com/products/protect/downloads/aglarticle.pdf

How to protect cell towers and equipment buildings.

[3] Le & Nouanesengsy, "Lightning Protection for Cellular Tower Mounted Electronics", Andrew Corporation

https://www.commscope.com/docs/lightning_protection_for_cellular_tower_mounted_electronics_tp-101613.pdf

A good summary. Andrew is a major manufacturer of coaxial cable used for cellular towers.

[4] Block, Ron KB2UYT, "Lightning Protection for the Amateur Radio Station", ARRL.org

Lightning Protection for the Amateur Radio Station -- Part 1 Lightning Protection for the Amateur Radio Station -- Part 2 Lightning Protection for the Amateur Radio Station -- Part 3

http://www.arrl.org/lightning-protection

A systems-oriented approach to protecting equipment in a ham radio station, written by the brother of Polyphaser's founder.

[5] NEMA (National Electrical Manufacturers' Association, U.S.) Surge Protection Institute webpages:

http://www.nemasurge.org

Nice listing of relevant standards.

[6] Erico's telecom protection products:

http://www.erico.com/part.asp?part=SES401201P&applications=telecom

A great resource. Many well-written guides/appnotes in the "Documents" section for using SPD's, with an emphasis on protecting telecom and industrial sites. Erico developed the exothermic welding process used nowadays by nearly everybody for bonding conductors in grounding systems for lightning protection. They manufacture a wide variety of stuff for lightning protection systems.

[7] Polyphaser / Transtector / Smiths Power

http://www.smithspower.com/brands/polyphaser/services/media-library

Lots of White Papers mainly oriented towards RF surge protection. Polyphaser is a leading manufacturer of RF surge suppression devices.