Sistema de Solución para Protectores contra Sobretensiones (Protección contra Rayos): Esquema Integrado de Protección Externa e Interna

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1. Antecedentes y objetivos de la solución

La actividad de los rayos es un factor significativo que amenaza la seguridad de los edificios, el personal y el equipo interno. Los impactos de rayos generan corrientes directas de alta intensidad y sobretensiones transitorias. Estas no solo pueden causar daños en los edificios y la destrucción física del equipo, sino que también pueden penetrar a través de líneas metálicas como las líneas de suministro eléctrico y de señales, lo que lleva a fallos en el equipo electrónico, pérdida de datos e incluso desastres secundarios como incendios. Esta solución tiene como objetivo establecer un sistema de protección integral compuesto por un Sistema Externo de Protección contra Rayos (ELPS) y Dispositivos de Protección contra Sobretensiones (SPDs), interceptando, guiando, descargando y limitando eficazmente la energía de los rayos para maximizar la seguridad estructural del edificio y garantizar la continuidad y estabilidad de las operaciones de los equipos y sistemas internos.

2. Visión general de los componentes del Sistema de Protección contra Rayos (LPS)

Un Sistema de Protección contra Rayos (LPS) integrado y efectivo comprende dos componentes esenciales e interdependientes:

Sistema Externo de Protección contra Rayos (ELPS): Diseñado principalmente para defenderse contra los impactos directos de rayos.
Sistema Interno de Protección contra Rayos (Sistema de Protección contra Sobretensiones, SPD System): Diseñado principalmente para defenderse contra las sobretensiones transitorias (sobretensiones) causadas por el Pulso Electromagnético de Rayo (LEMP) que entra en el equipo a través de las líneas.

3. Esquema de instalación de pararrayos externos (protección contra impactos directos)

Función principal: Interceptar los impactos directos de rayos y conducir de manera segura la gran corriente de rayo al suelo, evitando el daño físico (como la penetración, incendio, daño estructural) que un impacto directo puede infligir a la estructura del edificio.
Componentes clave:

Sistema de Captación Aérea (pararrayos/barras/mallas): Instalado en la azotea o en los puntos más altos del edificio para atraer y recibir los impactos de rayos. Seleccionar el tipo apropiado (por ejemplo, barra, malla, tira) y la disposición según la forma y el área del edificio, asegurando que la cobertura de protección cumpla con los requisitos del principio del "método de la esfera rodante".
Conductores Descendentes: Utilizados para conducir la corriente de rayo desde el sistema de captación aérea hasta el sistema de toma de tierra. Deben ser ruteados a través de las rutas más cortas y rectas, con una cantidad suficiente y distribución uniforme (espaciado conforme a reglamentos). Los materiales son típicamente acero plano o redondo galvanizado. Evitar la instalación cerca de caminos comunes de personas o aplicar medidas de protección aislante.
Sistema de Toma de Tierra: Descarga la corriente de rayo al suelo. Este es el núcleo y la base del sistema de protección; su calidad (valor de resistencia a tierra) es crucial. Típicamente consta de electrodos de tierra (barras verticales, conductores horizontales) y conductores de conexión. Usar materiales resistentes a la corrosión (por ejemplo, acero galvanizado, cobre), asegurar una profundidad de enterramiento suficiente y formar un anillo de equipotencial efectivo (tierra de fundación) alrededor del edificio. La resistencia a tierra debe minimizarse (generalmente requerida ≤10Ω, requisitos específicos según normas relevantes).

Ubicaciones de instalación:

Puntos más altos de la azotea del edificio y ubicaciones vulnerables a impactos (esquinas, aleros, pretil, ventilaciones, chimeneas, etc.).
Estructuras especiales (por ejemplo, torres, antenas, soportes de paneles solares) requieren consideración individual o integrada.

Puntos clave del esquema:

Cumplimiento de normas: Adherirse estrictamente a las normas nacionales e industriales de diseño de protección contra rayos (por ejemplo, GB 50057 "Código de Diseño de Protección contra Rayos en Edificios", equivalente a la serie IEC 62305).
Calidad de materiales: Usar materiales de alta calidad y resistentes a la corrosión que cumplan con las normas.
Equipotencialización: Todos los componentes metálicos (por ejemplo, tuberías, carcasa de equipos, techos metálicos, estructuras de acero) deben estar confiablemente conectados al conductor descendente más cercano o al sistema de toma de tierra para evitar chispazos laterales.
Distancias de separación de seguridad: Asegurar distancias de separación de seguridad adecuadas entre las captaciones aéreas y la estructura, y entre los conductores descendentes y servicios/tuberías.
Conexiones confiables: Todos los puntos de conexión deben ser robustos (soldadura o abrazaderas aprobadas) para garantizar una buena continuidad eléctrica.

4. Esquema de instalación de pararrayos internos (SPD) (protección contra sobretensiones de rayos)

Función principal: Limitar las sobretensiones transitorias (sobretensiones) inducidas por rayos que entran a través de líneas de alimentación, líneas de señal, líneas de comunicación, etc., clavándolas a un nivel seguro que el equipo pueda soportar, evitando daños por sobretensión/sobrecorriente.
Componentes clave: Dispositivo de Protección contra Sobretensiones (SPD), también conocido como supresor de sobretensiones o pararrayos:

Supresor de Voltaje Transitorio (TVS): A menudo se utiliza para la protección de equipos finos o líneas de señal.
Protector contra Sobretensiones: Término general que abarca diversas tecnologías (por ejemplo, Varistor de Óxido Metálico MOV, Tubo de Descarga de Gas GDT, protectores de estado sólido).
SPD de Alimentación: Instalado en varios niveles del sistema de distribución de energía (distribución principal, subdistribución, antes del equipo terminal).
SPD de Señal/Datos: Instalado en los puertos de entrada para líneas telefónicas, líneas de red (por ejemplo, RJ45), cables coaxiales (por ejemplo, video CCTV, señales satelitales), líneas de control, etc.
Conexión a tierra: Los SPD deben estar bien conectados a tierra a través de una ruta de baja impedancia para descargar eficazmente las corrientes de sobretensión. Los conductores de tierra deben ser lo más cortos, rectos y gruesos posible (Principio "Corto-Recto-Grueso").

Ubicaciones y niveles de instalación (Protección escalonada - Coordinación):

Primera Protección (Clase I / Tipo 1 SPD):

Ubicación: Panel Principal de Distribución del Edificio/Entrada Principal (típicamente en la frontera LPZ 0A/0B → LPZ 1).
Función: Descarga la gran mayoría de la energía masiva (onda de 10/350μs) de impactos directos o cercanos, limitando la tensión residual a un nivel inferior. Típicamente usa SPD de alta capacidad de descarga tipo arco. Requiere una conexión a tierra altamente confiable.

Segunda Protección (Clase II / Tipo 2 SPD):

Ubicación: Cuadros de Distribución por Piso, Paneles de Distribución de Área, Tablero Principal en Salas de Equipos (en la frontera LPZ 1 → LPZ 2).
Función: Limita aún más las tensiones residuales pasadas por el primer nivel y las sobretensiones causadas por operaciones de conmutación interna (onda de 8/20μs), proporcionando protección zonal del equipo. Típicamente usa SPD de tipo limitador de voltaje (por ejemplo, basado en MOV).

Tercera Protección (Clase III / Tipo 3 SPD / Protección en Punto de Uso):

Ubicación: Inmediatamente frente al equipo, dentro de enchufes/tiras de enchufe, o circuitos internos del equipo (en la frontera LPZ 2 → LPZ 3).
Función: Clava la sobretensión residual (onda combinada) en los puertos del equipo, proporcionando protección final de precisión. Críticamente importante para equipos electrónicos sensibles (por ejemplo, servidores, estaciones de trabajo, PLC, dispositivos médicos, equipos de comunicación). También se utiliza en entradas de líneas de señal.

Puntos clave del esquema:

Coordinación: Los SPD en diferentes niveles deben lograr la coordinación de energía y tensión (usando elementos de acoplamiento/aislamiento entre etapas o las características intrínsecas de decuplaje de los SPD), asegurando que la energía se descargue progresivamente y la tensión se reduzca paso a paso. Esto evita que los SPD de nivel inferior fallen debido a una energía excesiva.
Calidad de la conexión a tierra: La conexión a tierra efectiva de los SPD es crítica para la eficacia del esquema. Los conductores de tierra deben ser idealmente más cortos de 0.5 metros, con un área de sección transversal suficiente (según la clase y la ubicación del SPD, típicamente ≥6-25mm² de cobre trenzado).
Cumplimiento de la instalación: Instalar de acuerdo con las instrucciones del producto SPD y las normas relevantes, asegurando conexiones correctas de fase y tierra.
Equipotencialización: Conectar gabinetes metálicos, racks, bandejas de cables, etc., para establecer un efecto de "jaula de Faraday", minimizando las diferencias de potencial internas.
Mantenimiento regular: Los SPD a menudo son dispositivos "sacrificiales" que requieren inspecciones regulares (indicador visual de estado, monitoreo remoto de alarmas) y pruebas. Los SPD fallidos deben reemplazarse de inmediato.

5. Beneficios y valor de implementación de la solución integral

Protección integral: El sistema externo protege contra impactos directos; el sistema interno protege contra sobretensiones inducidas (LEMP), formando una cadena de protección completa.
Seguridad maximizada: Protege la estructura del edificio, la vida humana y los valiosos activos de equipos eléctricos/electrónicos de daños.
Garantiza la continuidad operativa: Reduce el riesgo de fallo del equipo, tiempo de inactividad del sistema y pérdida de datos causados por rayos, mejorando la confiabilidad del sistema y la continuidad del negocio.
Reduce el costo total de propiedad: La inversión preventiva es significativamente coste-efectiva en comparación con los costos directos de daños por rayos (reemplazo de equipos) y costos indirectos (interrupción de la producción, pérdida de datos, impacto reputacional).
Cumplimiento regulatorio: Cumple con los requisitos y normas nacionales de seguridad de edificios, seguridad eléctrica y protección contra rayos.