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Detección de tormentas con fines preventivos: Condiciones de riesgo de descarga
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Detección de tormentas con fines preventivos: Condiciones de riesgo de descarga
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El rayo es un fenómeno natural que puede producirse con gran frecuencia en cualquier época del año y está sujeto a una incertidumbre estadística: no es posible determinar dónde y cuándo se producirá una descarga de rayo aislada. Por ello, los sistemas de detección de tormentas no pueden predecir con precisión el lugar y el momento en que se producirá una descarga concreta1, pero sí pueden determinar las condiciones de riesgo de descarga en función de la distancia de los rayos anteriores (detectores de campo electromagnético) o de la variación del campo electrostático atmosférico (sensores de campo electrostático).
Aunque no se puede evitar la formación de tormentas eléctricas, la detección temprana permite minimizar los riesgos derivados de un posible impacto de rayo y evitar daños personales, proporcionando información para la correcta gestión de las medidas preventivas temporales. Para ello, es necesario que estos detectores sean capaces de evaluar las condiciones de riesgo de descarga. A continuación, detallaremos cómo los diferentes tipos de detectores de tormentas disponibles determinan las Condiciones de Riesgo de Descarga.
Tipos de detectores de tormentas: sistemas basados en campos electromagnéticos frente a sistemas basados en campos electrostáticos
Los detectores de tormentas existentes utilizan la radiación electromagnética de los rayos para localizarlos una vez que han caído, o bien miden el campo electrostático ambiental, que es el indicador directo del riesgo de descarga del rayo.
Los detectores basados en el campo electromagnético consideran el riesgo de caída de rayos en función de la distancia de los rayos anteriores a la zona que hay que proteger. De hecho, sólo pueden detectar los rayos una vez que se han producido y asumen no sólo que habrá más rayos, sino también que los rayos estarán más cerca del objetivo.
La medición objetiva del campo electrostático permite determinar las condiciones de riesgo de descarga
A diferencia de los detectores basados en el campo electromagnético, los sensores de campo electrostático se basan en la medición del campo electrostático atmosférico. Este campo en la superficie terrestre puede variar por muchas razones (por ejemplo, la altitud, la latitud, la temperatura, la contaminación, la velocidad del viento, la humedad, la radiación solar, etc.), pero generalmente es de unos +100-150 V/m en condiciones de buen tiempo sin nubes. Durante el buen tiempo, existe un equilibrio en la atmósfera entre cargas positivas y negativas, donde la tierra suele estar más cargada negativamente que el aire y los elementos que se encuentran por encima del suelo2. Cuando se forman nubes de tormenta, se produce una polarización de las cargas eléctricas, de modo que la parte inferior de las nubes se carga negativamente (en la mayoría de los casos), lo que induce una carga positiva en la tierra y los elementos situados por encima de ella. El campo eléctrico que se forma en estas circunstancias puede alcanzar decenas de kV. Así, aunque el aire es un aislante eléctrico casi perfecto en buenas condiciones meteorológicas, cuando se genera un campo eléctrico suficientemente alto, se ioniza y se convierte en un medio conductor por el que circula la carga acumulada en las nubes3.
Por tanto, al pasar de condiciones de buen tiempo a condiciones de tormenta, se produce una variación del campo eléctrico atmosférico (de +100-150 V/m a decenas de kV/m), que permite advertir de la formación o aproximación de tormentas en la zona a proteger con suficiente antelación para aplicar las medidas preventivas necesarias. Esta elevación del campo electrostático puede producirse por la formación de tormentas en la zona, así como por el paso de nubes de tormenta que no necesariamente implican descargas en el entorno4: para que se produzca una descarga de rayo, es condición necesaria pero no suficiente que el campo electrostático atmosférico sea muy elevado. Por lo tanto, habrá momentos en los que el sistema dará una alarma extrema y no se producirá una descarga de rayo. Sin embargo, el hecho de que no se produzca una descarga no significa que el riesgo de que caiga un rayo no sea real. Al final, es imposible predecir dónde y cuándo se producirá un rayo concreto; lo único que se puede determinar son las Condiciones de Riesgo de Descarga.
El aumento del campo electrostático es una condición necesaria pero no suficiente para que se produzcan rayos en las tormentas: aunque al final no se produzcan rayos, el riesgo siempre será real y elevado
Del mismo modo, cuando la tormenta se aleja o se disipa, los detectores basados en el campo electrostático son los únicos capaces (según la norma IEC 62793:20201) de medir la variación del campo electrostático, avisando de que ya no hay riesgo de caída de rayos. Los sensores electromagnéticos, en cambio, basan su advertencia de ausencia de riesgo en una cuenta atrás desde el último rayo (nube a nube o nube a tierra) en una zona determinada. Cuando se alcanza un tiempo predeterminado (normalmente 30 minutos, aunque en el sector de la energía eólica puede ser de 1 a 2 horas) sin que se detecte ninguna descarga en la zona a proteger, consideran que ya no hay riesgo y que la zona puede volver a la normalidad. Sin embargo, este tiempo puede ser insuficiente si se produce una descarga justo después de que se haya dado el aviso de ausencia de riesgo, poniendo en peligro vidas humanas. No hay que olvidar que la Administración Nacional Oceánica y Atmosférica de EE.UU. (NOAA) indica que la mayoría de los accidentes por rayos se producen al principio o al final de las tormentas eléctricas5.
Por otro lado, también puede darse el caso de que el tiempo de inactividad sea excesivo, lo que se traduce en elevados costes para el cliente. Por tanto, es necesario conocer de forma precisa y fiable las condiciones meteorológicas, tanto para proteger a las personas como para evitar paradas innecesarias del trabajo. Un detector de tormentas basado en el campo electrostático permite una correcta gestión del riesgo, garantizando la seguridad de los trabajadores y, al mismo tiempo, una mayor eficiencia operativa.
Los detectores de tormentas basados en campos electromagnéticos establecen el aviso de "todo despejado" con una cuenta atrás de un tiempo predeterminado desde la última descarga registrada en la zona definida. Este tiempo puede ser insuficiente o excesivo, ya que no se basa en un parámetro objetivo.
Detección de tormentas con ATSTORM®, lo mejor de ambas tecnologías
ATSTORM® es un sistema de alerta local para la prevención del riesgo de tormentas, desarrollado y patentado por Aplicaciones Tecnológicas. Gracias al sensor electrostático, es capaz de detectar todas las fases de la evolución de una tormenta eléctrica. ATSTORM® puede detectar las variaciones del campo eléctrico de las tormentas eléctricas que se forman sobre el objetivo y/o las tormentas eléctricas activas hasta un radio de 20 km. En el caso de las tormentas que se forman directamente sobre el objetivo o que se acercan sin producir ninguna descarga, los detectores basados únicamente en el campo electromagnético no advierten del riesgo y, por tanto, no siempre son adecuados para la prevención.
La medición del campo electrostático es el único criterio objetivo que determina las condiciones de riesgo de descarga, por lo que los detectores de campo electrostático pueden emitir una advertencia de tormenta y también un aviso de que todo está despejado para volver a la normalidad.
ATSTORM® también incorpora un sensor electromagnético como respaldo para vigilar la aproximación de la tormenta hasta un radio de 40 kilómetros. De este modo, se amplía la zona de vigilancia y se puede definir un estado de prealerta para las tormentas activas lejanas que se acercan al objetivo a proteger.
Puede descargar el artículo completo aquí.
Para más información sobre las condiciones de riesgo de descarga determinadas por el detector de tormentas ATSTORM®, puede contactar con nosotros en este enlace.
Referencias
Comisión Electrotécnica Internacional (IEC). IEC 62793:2020 Protección contra el rayo - Sistemas de aviso de tormentas. Norma internacional (2020).
Wahlin, L. Atmospheric Electrostatics. (John Wiley & Sons, Ltd, 1989).
Henderson, T. Static Electricity - Lesson 4 - Electric Fields - Lightning. The Physics Classroom https://www.physicsclassroom.com/class/estatics/Lesson-4/Lightning.
Martinez-Lozano, M. Medición del campo eléctrico atmosférico en la ciudad de León. Establecimiento de límites para prevención ante la ocurrencia de descargas atmosféricas. (2014) doi:10.13140/2.1.3635.2323.
Servicio Meteorológico Nacional NOAA. Visión general: Lightning Safety. https://www.weather.gov/safety/lightning-safety-overview.