24 de julio 2011 Un rayo alcanzó a un tren bala en China y provocó al menos 35 muertos

Estudio sobre los riesgos de accidentes

La eficacia de un sistema de protección contra el rayo es aquella cuyo principio de funcionamiento sea minimizar o evitar en lo posible las descargas directas de rayos en la instalación que queremos proteger, evitando así todo riesgo de accidentes y muertes de personas, accidentes o incendio de equipos eléctricos y electrónicos, sean por tensiones de paso o diferencia de potencial durante el impacto del rayo en una estructura. Los rayos causan numerosas averías en la red de ferrocarriles de todo el mundo. En este estudio se plantea cuestionarse el sistema de protección del rayo actual con Puntas Franklin.

Técnicamente, el estudio cambia los conceptos y principios físicos de la protección del rayo con sistemas convencionales; el objetivo final es dar paso a las nueva  generación de tecnologías de pararrayos, donde el principio de funcionamiento sea el de  compensar el efecto punta en los puntos altos de riesgo y minimizar el efecto campo eléctrico de alta tensión durante las tormentas, el objetivo principal, es reducir las posibilidades de que el rayo incida en la estructura que se quiere proteger, minimizando de este modo los posibles efectos electromagnéticos directos e indirectos.

Evitar las formaciones de los efectos punta y efectos corona en las estructuras altas, favorece a la reducción y eliminación de la formación y llamada del rayo al anular el fenómeno del trazador o camino ionizado.

El análisis de la situación actual

Los trazados que forman la red nacional de ferrocarriles, tienen una distribución geográfica que da prioridad a los enlaces entre poblaciones, para unirlas y facilitar el tránsito de viajeros en menos tiempo, en este sentido se han mejorado las tecnologías de transporte y aumentado la seguridad de todas las infraestructuras.

La velocidad es un elemento esencial para poder cubrir trazados en un tiempo récord y para ello se han tenido que diseñar máquinas y otras tecnologías que tienen que controlar y facilitar la alimentación de energía en la catenaria, fiabilizar la comunicación rápida de los datos entre enlaces para garantizar la seguridad y control de los pasajeros en general y del sistema global del transporte en particular.

Cuando el tren se lanza a gran velocidad por esos pasillos, cruza todo el territorio independientemente de la orografía o zonas de riesgos de rayos. Durante las tormentas eléctricas, los rayos generan numerosas y diferentes averías repetidas cada año por impacto directo e indirecto. Podemos resumir varias averías típicas, desde la pérdida de señal de datos y de energía parcial, pasando por la rotura del cable por impacto directo, caída del cable por rotura del aislador, destrucción de cajas del sistema de señalización de presencia de vehículos, además de una destrucción alta en tarjetas del sistema de control.

En este sentido tecnológico y de seguridad hay que mejorar los sistemas de protección de rayo y efectuar un cambio tecnológico, donde el objetivo sea la prevención y la protección.

La actividad de rayos en el mundo está cambiando, las zonas de alta actividad de rayos ha bajado y las de menor ha subido, se forman tormentas eléctricas fuera de temporada y durante los meses de frío, incumpliendo este fenómeno los principios termodinámicos de la formación de nubes de tormenta, en el año 2008 y principio de 2009 empiezan a aparecer tormentas eléctricas fuera de lo normal y en zonas de bajo nivel de riesgo de actividad de rayos según los mapas Isoceráunicos.

La prevención empieza a ser una necesidad evidente si queremos proteger a los viajeros y los  técnicos que utilizan y trabajan en este sector.

EL ESTUDIO: La necesidad de mejorar el sistema actual de protección directa del rayo en las redes eléctricas de ferrocarriles de España, viene dada por las diferentes incidencias de los rayos por impacto directo o indirecto en las instalaciones o estructuras durante las temporadas de tormentas que cada año se repiten en todo el planeta.

Aunque se invierte en mejorar las protecciones de rayos en las instalaciones de ferrocarriles, éstas no son suficientes.

Dispositivos como un cable de guarda para unir los postes al mismo potencial desde su punto más alto y entre ellos, sirven para mejorar y canalizar la descarga del rayo a una toma de tierra más próxima y evitar así el impacto directo del rayo en el cable de transporte de energía pero no sirven para eliminar los efectos de radiación y acoplamientos electromagnéticos en los equipos electrónicos de comunicaciones y control.

Otras técnicas de mejoras se concentran en las tomas de tierra para minimizar los efectos de la tensión residual durante la descarga del rayo en la estructura o cable.

La realidad es que cuanto mejores sean las tomas de tierra, más incidirán los rayos en los postes y cable de guarda y más corriente pasará en menos tiempo, creando una brusca variación del campo magnético que afectará indirectamente a los equipos, la forma estructural de las torres metálicas de las catenarias son ya un problema constructivo por adaptar su forma de pararrayos natural.

En cada descarga de rayo en una estructura, ésta puede cambiar de características físicas moleculares en función de la energía que el rayo transporte afectando en la tracción y resistencia mecánica de los cables, soportes y elementos afectados directos o indirectos.

ESTE ESTUDIO SE CENTRA EN EL TRAZADO DE LAS LÍNEAS DE TREN Y SUBESTACIONES.

• Estructura: poste abierto y subestaciones

• Altura poste: 3.60 metros.

• Tensión de transporte catenaria: 12 kV.

Es normal en días de tormentas oír el efecto corona o ionización concentrada en torres o algunos de los aisladores.

A partir de una magnitud del campo eléctrico alrededor de la punta, electrodo o poste, aparece la ionización natural o efecto corona durante la aparición del campo eléctrico de alta tensión natural: son mini descargas disruptivas que ionizan el aire.

Este fenómeno es el principio de excitación para trazar un camino conductor que facilitará el camino de la descarga del rayo.

Durante este proceso las redes de transporte de energía aéreas datos o telecomunicaciones pueden verse afectadas por el ruido y crear errores de telecomunicación o datos.

La ionización de cualquier estructura o del poste que aguanta la catenaria, varía en función de la meteorología del lugar y contaminación ambiental durante la tormenta. Esto genera un flujo de electrones que se transforma en una fuga de corriente a tierra que circula por la propia estructura metálica en ciertos momentos, y será proporcional a la intensidad y tiempo de exposición del campo eléctrico de alta tensión en tierra, superando las corrientes de fuga los 150 amperios en algunas ocasiones.

Cada impacto de rayo, genera una circulación de grandes corrientes que viaja por los cables de transporte de energía, electrodos puestos a tierra y la tierra física, creando sobretensiones en las redes, cristalización de los electrodos puestos a tierra y vitrificación del compuesto mineral de la tierra, por efecto galvánico y electrolítico. En cada proceso de disipación de la energía del rayo a tierra, el contacto físico entre el electrodo de tierra y la tierra física, genera las pérdidas de iones en el electrodo por reacción electroquímica en función del tipo de metales expuestos a tierra (efecto pila).

El cambio físico de la tierra, aumenta en cada proceso de descarga de rayo y la resistencia eléctrica del conjunto electrodo/tierra aumenta peligrosamente por efecto de perdida y oxidación de los metales, y perdida de iones y cristalización del compuesto mineral de la tierra .

Exposición al fenómeno de la ionización, se pueden apreciar en los materiales afectados, chispas diminutas en forma de luz, ruido audible a frito, radiofrecuencia, vibraciones del conductor, ozono y otros compuestos. Este fenómeno arranca una serie de avalanchas electrónicas por el efecto campo: un electrón ioniza un átomo produciendo un segundo electrón, éste a su vez junto con el electrón original puede ionizar otros átomos produciendo así una avalancha que aumenta exponencialmente. Las colisiones no resultantes en un nuevo electrón provocan una excitación que deriva en el fenómeno luminoso. A partir de ese momento, el aire cambia de características gaseosas al límite de su ruptura dieléctrica.

El rayo es el resultado de la saturación de cargas entre la nube y tierra o tierra y nube y se encarga de transferir, en un instante, parte de la energía acumulada; el proceso puede repetirse varias veces. En este sentido los postes que soportan las Catenarias, pueden concentrar cargas y excitar el rayo con gran probabilidad. En realidad, el rayo sigue siendo un gran problema para las compañías ferroviarias. La mejor protección sería evitar que la estructura ionizara el aire o evitar que el efecto del Leader se representara en ella, evitando así la llamada del rayo.

Los riesgos eléctricos y efectos directos e indirectos sobre las instalaciones.

Dado este alto nivel de posibilidades de riesgo eléctrico y de accidentes a las personas e instalaciones durante las tormentas, hemos identificado y evaluado una simulación de los riesgos eléctricos que aparecerán derivados de la posible caída de un rayo de 50.000 amperios en una instalación tipo, y con un valor de la resistencia de tierra de 10 ohmios en la instalación donde incide el rayo, a mayor resistencia eléctrica de tierra mayores efectos secundarios.

La tensión que aparecerá en esta simulación, será el resultado de aplicar la fórmula:

E = I x R, donde (I) será 50.000 amperios, y donde (R) será de 10 ohmios.

Los valores de tensión que aparecen en el momento del impacto de rayos son de:

E = 500.000 Voltios. (ALTA TENSIÓN)

Para conocer la radiación generada en el aire por el pulso electromagnético, la fórmula aplicada es:

W = (1̂ 2) x R), siendo el pulso electromagnético que aparece de: 25.000.000 kW.

Fenómenos eléctricos que aparecen durante una descarga de rayo en las instalaciones

• Carga electrostática

• Pulso electromagnético

• Pulso electrostático

• Corrientes a tierra

• Sobrevoltaje transitorio por acoplamiento: resistivo, inductivo y capacitivo.

Las consecuencias: Destrucción de material, envejecimiento prematuro de los componentes electrónicos sensibles, disfunción de los equipos conectados a la red con peligro de incendio y paro de la producción de energía y del tren.

Durante la descarga del rayo  es inevitable que se generen inducciones y acoplamientos en líneas de transporte eléctrico y de comunicaciones. Todos los equipos electrónicos sensibles que se encuentren dentro de un radio de acción de 1.500 metros pueden estar afectados por una sobretensión inducida.

En función de la intensidad de descarga del rayo, las tomas de tierra no llegan a absorber la totalidad de la energía descargada. Este fenómeno puede generar tensiones de paso peligrosas en las instalaciones que no estén preparadas al efecto.

Durante la descarga del rayo, en menos de 1 segundo, la energía que circula por los cables viaja en busca de una baja resistencia eléctrica de tierra. El efecto de la descarga genera retornos eléctricos en las instalaciones a través de los mismos cables y de las tomas de tierra.

LAS AVERÍAS MÁS COMUNES EN LAS INSTALACIONES Cuando el impacto del rayo es directo en los cables, la corriente viaja aguas arriba y aguas abajo, el tiempo y distancia de descarga es proporcional a la intensidad del impacto de rayo que se acopla en los cables de datos y antenas.

Los equipos más afectados directamente son los cables, soportes, aisladores y cuadros de maniobras, y los efectos se transforman en destrucción del material donde impacta el rayo directo, caída del cable a tierra, incendio del armario eléctrico de maniobras, paro de la señal de maniobra por rotura de componentes electrónicos, etc, y como efecto indirecto, pérdida de la señal de telecomunicaciones, fallo en señales de semáforo, avería en autómatas de comulación de agujas, etc.

En el caso de impacto de rayo directo en el poste, gran parte de la corriente fluye directamente por la propia estructura a tierra en función de la resistencia de la toma de tierra y se distribuye por los postes laterales por medio del cable de guarda. Si la intensidad del rayo es superior a la masa de disipación de la torre y resistencia eléctrica de la toma de tierra, los aisladores del cable pueden sufrir una descarga de tierra a línea y en función de la transferencia de energía, el aislador se podrá romper.

RIESGOS QUE APARECERÁN EN CASO DE IMPACTO DE RAYO: Los riesgos que las personas pueden padecer directamente o indirectamente serán:

• Electrocución por choque eléctrico causado por contacto eléctrico con elementos metálicos.

• Quemaduras por choque eléctrico directo o por arco eléctrico indirecto.

• Traumatismos por caídas o golpes como consecuencia del agarrotamiento muscular del choque eléctrico leve o arco eléctrico.

• Muerte por incendios o explosiones originados por diferentes efectos eléctricos directos o indirectos.

Los riesgos que pueden padecer las instalaciones directamente o indirectamente serán:

• Destrucción parcial de equipos electrónicos por arco eléctrico entre masas metálicas.

• Destrucción total de equipos electrónicos por alta tensión en el suministro.

• Destrucción parcial de equipos electrónicos por campos magnéticos variables.

• Destrucción total de equipos eléctricos y electrónicos por radiación de alta frecuencia.

• Incendio o explosión en la nave por destrucción de equipos electrónicos.

• Incendio o explosión de la nave por chispas entre diferentes metales.

Datos analizados para el estudio de protección. En la visita de la instalación, se toman los datos que pueden afectar a la estructura a proteger, utilizando diferentes parámetros para evaluar el riesgo de impacto de rayo sobre el edificio o estructura.

El análisis posterior de los datos sirve para proponer alternativas de protección del rayo que se utilizarán para reducir o anular su influencia directa o indirecta de impactos de rayos.