Comprensión de los sistemas de protección contra rayos

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Los avances científicos mejoran la protección contra rayos en instalaciones de misión crítica

Benjamin Franklin demostró que un camino eléctricamente conductor puede canalizar de forma segura los rayos desde lo alto de un edificio hacia la tierra.. Su sistema de protección contra rayos (LPS) ha demostrado repetidamente su eficacia y se ha perfeccionado gradualmente durante los últimos 2 siglos.. Para instalaciones ordinarias,Asegura una protección confiable y asequible cuando se diseña e instala de acuerdo con NFPA 780:Norma para la Instalación de Sistemas de Protección contra Rayos.

Sin embargo, los requisitos de protección contra rayos de muchas estructuras exceden los proporcionados por terminales aéreos ordinarios (anteriormente llamados pararrayos) y conexiones a tierra.. Sus vulnerabilidades han aumentado a medida que dispositivos electrónicos cada vez más sensibles ahora controlan funciones vitales, incluida la seguridad de los edificios.,control climático,almacenamiento y procesamiento de datos,iluminación,equipos de fabricación y procesamiento,herrajes para puertas y sistemas de acceso,sistemas de salud,y otras funciones críticas. Al mismo tiempo,El riesgo parece estar aumentando debido a la aparición cada vez más frecuente de fenómenos meteorológicos extremos asociados al cambio climático.,como los relámpagos acompañan a los tornados y huracanes, así como a las tormentas eléctricas.

El rayo plantea un Riesgo significativo para los edificios, sus ocupantes y su contenido.. Golpea entre 40 y 50 veces por segundo en todo el mundo.,para un total de casi 1.400 millones de flashes al año,con hasta más de 200,000 amperios de corriente prácticamente sin obstáculos que fluyen entre cargas iónicas en la atmósfera y la tierra. Todas las regiones de América del Norte son vulnerables a los rayos. A escala nacional,Los rayos causan tanto daño como los tornados.. El alcance de esta devastación,sin embargo,Con frecuencia no se reconoce porque los rayos individuales no atraen la atención de los medios que se presta a los desastres regionales.. Sin embargo, un solo rayo puede ser un desastre para una empresa o comunidad si interrumpe operaciones de misión crítica.

Reclamaciones de seguros por edificios dañados por rayos en EE. UU.. suman más de $5 mil millones de dólares al año. Esta cifra subestima el costo porque mide principalmente daños estructurales y por incendio y pasa por alto la mayor parte del daño a dispositivos y sistemas electrónicos.. Los daños causados ​​por rayos a dispositivos electrónicos con frecuencia se atribuyen erróneamente a otras causas.

Considerar,Por ejemplo,un centro de traumatología de nivel I que había instalado un nuevo generador de respaldo. El generador falló repetidamente la rutina.,chequeos mensuales,y el hospital presentó reclamaciones contra la garantía del fabricante. Finalmente alguien notó una correlación entre fallas en los equipos y tormentas eléctricas en el área.,y se descubrió que el generador no se había integrado correctamente en el LPS del edificio.. Desde la remediación,el administrador de la instalación informa que el generador no ha vuelto a fallar.

Incluso si una póliza de seguro pagó por el equipo dañado,¿Cubriría los daños emergentes?,como pérdida de ingresos o falta de respuesta en caso de emergencia?No querrás ser el jefe de policía o de bomberos que no puede responder a los daños relacionados con una tormenta porque la misma tormenta quemó tu sistema de comunicación.

Evaluación de riesgos

Un buen lugar para comenzar a comprender las necesidades de protección contra rayos de su edificio es con la evaluación del riesgo de rayos en el Anexo L de NFPA 780.

La norma recomienda la protección contra rayos cuando la vulnerabilidad de una estructura a los rayos es mayor que su riesgo tolerable.:

•  La vulnerabilidad está determinada por la densidad de los rayos (frecuencia/área/año según los mapas del servicio meteorológico nacional) con modificaciones basadas en el área de una estructura.,altura,topografía,y proximidad a estructuras o árboles más altos. 
• El riesgo se ve afectado por la conductividad y combustibilidad del techo y el sistema estructural.,el valor y la combustibilidad del edificio,la facilidad con la que los ocupantes pueden ser evacuados,La actitud del propietario hacia la continuidad de las operaciones.,y peligros ambientales,como la liberación de materiales peligrosos.

Independientemente de los cálculos,NFPA recomienda considerar seriamente la protección contra rayos si alguno de los siguientes factores está presente.

• Grandes multitudes
• Alta frecuencia de relámpagos
• Alto,estructuras aisladas
• Contenido explosivo o inflamable
• Patrimonio cultural irremplazable
• Requisitos reglamentarios o de seguros
• Continuidad de los servicios críticos.

Monitoreo de rayos

Muchos de los avances recientes en seguridad contra rayos se desarrollaron para aplicaciones militares y de lanzamiento espacial.. Esto es comprensible porque las instalaciones de lanzamiento,como los de Cabo Cañaveral,Florida.,están ubicados en áreas con intensa actividad de rayos. En tales instalaciones de lanzamiento,el valor de los activos es alto,Los equipos de aviónica y aeronáutica son sensibles.,Los cohetes y sus estructuras de lanzamiento son altos.,y lo que está en juego es enorme cuando los astronautas u otras cargas útiles de alto valor se encuentran encima de enormes,tanques de combustible para cohetes altamente volátiles.

Esto quedó ilustrado en 2011 cuando el transbordador espacial Atlantis se encontraba en el Complejo de Lanzamiento 39A (LC-39A) en el Centro Espacial Kennedy.. Un día antes de que Atlantis realizara el viaje final del programa Shuttle de la NASA.,Un rayo cayó cerca del complejo de lanzamiento.,dos veces. Las preguntas cruciales para los ingenieros y funcionarios que esperaban mantener el lanzamiento según lo previsto fueron:¿Dónde exactamente cayeron los rayos?,¿Y estaban lo suficientemente cerca como para dañar los sistemas eléctricos del transbordador??

En ese momento, dos sistemas monitoreaban la actividad de los rayos alrededor del Centro Espacial Kennedy.:el sistema local de vigilancia de rayos de nube a tierra (CGLSS),operado por el 45º Regimiento de la Fuerza Aérea Escuadrón meteorológico,y el A NOSOTROS. Red Nacional de Detección de Rayos (NLDN),un sistema de detección de rayos a nivel nacional propiedad de Vaisala y operado por ella,una empresa privada.

Los sistemas indicaron que los rayos estaban cerca de LC-39A,donde Atlantis esperaba su lanzamiento. Pero investigaciones anteriores de la NASA habían determinado que tanto CGLSS como NLDN produjeron resultados cuestionables.:Informaron del 70% al 80% de los rayos y eran propensos a informar sobre impactos en lugares donde en realidad no ocurrieron.

En casos anteriores,Los rayos en las cercanías de la plataforma de lanzamiento habrían retrasado el lanzamiento hasta una semana mientras los ingenieros volvían a probar los sistemas potencialmente afectados.. Esta vez,sin embargo,La NASA se benefició de un nuevo sistema de monitoreo de rayos. El sistema utilizó lo último en tecnología.,Cámaras de alta velocidad diseñadas para capturar evidencia visual de cualquier rayo que caiga directamente sobre la plataforma o en las inmediaciones.

Las imágenes de la cámara mostraron que un impacto se produjo fuera del perímetro del LC-39A y el otro golpeó un tanque de agua.. Los funcionarios de la NASA tenían suficiente confianza en el sistema relativamente no probado para mantener el lanzamiento del Atlantis en marcha.

Disponibilidad comercial

Se ha perfeccionado una tecnología similar al sistema de vigilancia utilizado para monitorear la Atlántida en la plataforma de lanzamiento y ahora está disponible comercialmente.. El sistema óptico de vigilancia de rayos utiliza alta velocidad.,Cámaras sin tiempo muerto para detectar y registrar el 100 % de los impactos dentro de un área de vigilancia específica.. El sistema utiliza robusto,Componentes de grado aeroespacial que se implementan fácilmente y funcionan con energía solar para proporcionar informes inmediatos que permitan respuestas oportunas.

Recientemente,El innovador sistema óptico de vigilancia de rayos fue crucial para el exitoso lanzamiento en diciembre de 2016 del Sistema global de navegación por satélite Cyclone (CYGNSS),permitiendo que la cuenta regresiva continúe a pesar de los feroces relámpagos en la Estación de la Fuerza Aérea de Cabo Cañaveral apenas unos días antes del despliegue programado.. CYGNSS contiene ocho microsatélites que medirán la velocidad del viento sobre los océanos de la Tierra,aumentar la capacidad de los científicos para comprender y predecir huracanes. CYGNSS se lanzó en diciembre. 15,2016,por Orbital ATK Inc.. utilizando su cohete Pegasus XL, un vehículo lanzado desde el aire montado debajo de un avión Lockheed L-1011 modificado.

Dos sistemas ópticos de vigilancia de rayos proporcionaron una precisión sin precedentes para determinar dónde cayó el rayo.. Los ingenieros revisaron inmediatamente los datos recopilados y proporcionaron pruebas concluyentes de que el avión y el cohete no habían estado expuestos a efectos relacionados con rayos que pusieran en peligro la misión.

Comentar una fotografía tomada por el sistema,Sean Potter de la NASA dijo,“Aunque la foto da la apariencia de un rayo que golpea directamente al avión portaaviones L-1011 de Orbital ATK,El ataque se produjo aproximadamente a 2,5 millas de la ubicación del avión junto a la pista de la Estación de la Fuerza Aérea de Cabo Cañaveral.. El avión y el cohete Pegasus XL estaban rodeados por un sistema aéreo de protección contra rayos diseñado para protegerlos en caso de que realmente hubiera ocurrido un impacto en las inmediaciones.;Los tres mástiles del LPS se pueden ver cerca de la parte delantera y trasera del avión”.

Para aumentar el LPS,alfarero dijo,“El sistema de vigilancia fue diseñado para el Programa de Servicios de Lanzamiento de la NASA para documentar y evaluar los posibles efectos nocivos de los rayos.. El sistema de vigilancia de rayos proporcionó datos oportunos y precisos que permitieron la continuación de la cuenta regresiva de Pegasus XL a pesar de los numerosos rayos que cayeron de nube a tierra registrados ese día”. También dijo que el contratista,"brindó un soporte excepcional y pudo proporcionar rápidamente información que fue útil para mitigar la preocupación y seguir adelante con el lanzamiento".

El sistema óptico de vigilancia de rayos está resultando invaluable para otras industrias. En la industria de la energía eólica,Por ejemplo,la pala de un generador eólico dañada por un rayo puede desequilibrar la turbina,potencialmente causando el colapso de toda la torre. Monitorizando un parque eólico completo,un operador puede determinar rápidamente si una turbina eólica en particular ha sido golpeada para poder apagarla de manera segura para su mantenimiento y posiblemente evitar una falla catastrófica.

En la industria de seguros,La vigilancia precisa de los rayos permite a los propietarios documentar las reclamaciones de que los daños se deben a los rayos y no a un mal funcionamiento mecánico.. Similarmente,Las compañías de seguros pueden proteger contra reclamaciones fraudulentas.. Ambas partes se benefician al no tener que enviar investigadores al campo para realizar costosos trabajos forenses.

La huella horizontal de una instalación es un factor importante para determinar la vulnerabilidad a los rayos.. Esto hace que el sistema de vigilancia óptica sea particularmente valioso para las organizaciones que brindan servicios en áreas con muchos activos de alto valor.,como aeropuertos y puertos,instalaciones militares,sitios de construcción,instalaciones de generación de energía,y complejos con múltiples estructuras vulnerables a los rayos.

Rayo disparado

Los cohetes también se utilizan para guiar rayos a la Tierra para programas de investigación y prueba.,usando una versión moderna del famoso experimento de cometas de Franklin. En el Centro Internacional de Investigación y Pruebas de Rayos (ICLRT) de la Universidad de Florida en Camp Blanding,Se lanzan pequeños cohetes hacia las nubes de tormenta.. Los cohetes arrastran un cable delgado que proporciona un camino conductor para que las corrientes de rayos reales sigan hasta el suelo, donde se pueden realizar pruebas.. Los rayos disparados proporcionan condiciones de prueba mucho más realistas que las que se pueden lograr utilizando incluso los generadores de chispas de laboratorio más grandes.. Los generadores de chispas de laboratorio imitan el alto voltaje o la alta corriente presentes durante la descarga de un rayo.,pero no logra reproducir ambas cantidades simultáneamente,como ocurren en un rayo real.

Estas corrientes de rayo reales se pueden inyectar directamente en ubicaciones precisas de un artículo de prueba determinado.. Los artículos de prueba también pueden estar sujetos a los efectos electromagnéticos indirectos de los rayos.,con la distancia entre el artículo de prueba y el rayo controlada con precisión. El ICLRT está equipado con antenas de campo eléctrico y magnético.,detectores de rayos x y gamma,sistemas de alta y muy alta frecuencia,y sistemas de medición óptica para detectar y registrar todos los aspectos del rayo disparado y su interacción con un artículo de prueba.  

A través de una asociación de investigación con la industria privada.,El ICLRT ya está disponible para pruebas comerciales.. Se está utilizando para probar elementos que varían en tamaño, desde componentes electrónicos individuales hasta sistemas integrados de tamaño completo y conjuntos de edificios que deben resistir lo peor que la naturaleza puede enviarles.. Fabricantes en aviación y aeroespacial.,comunicaciones,computadoras y electronica,militar,generación y transmisión de energía,y otras industrias críticas pueden utilizar el laboratorio para probar el hardware,sistemas de control,protocolos de seguridad,y esquemas innovadores de protección contra rayos.

Preocupaciones arquitectónicas

Muchos edificios de misión crítica: estaciones de policía y bomberos.,por ejemplo, tener una cara pública que requiera sensibilidad a la estética arquitectónica. Los cables conductores normalmente se pueden instalar dentro de un edificio o sus paredes.;Los cables expuestos se pueden alinear con las líneas del edificio para minimizar cualquier apariencia antiestética.

Los terminales aéreos instalados en el tejado de un edificio suelen tener sólo 10 pulgadas. Alto y 3/8 a 5/8 pulgadas.. de diámetro. Suelen tener un impacto menor en la apariencia del edificio.. En situaciones donde la apariencia es más crítica,Las terminales aéreas se pueden reemplazar por elementos estructurales que sean de metal eléctricamente continuo de al menos 3/16 de pulgada de espesor.

Estos "dispositivos de terminación de huelgas" han demostrado ser populares cuando se instalan como barandillas alrededor de terrazas en los tejados donde el público puede estar en estrecho contacto con el LPS.. Además de proporcionar una mayor libertad arquitectónica,Los dispositivos de terminación de huelgas también satisfacen las demandas funcionales.. Por ejemplo,La estructura de acero de una plataforma elevada de aterrizaje de helicópteros se puede conectar a la red del techo del sistema de protección contra rayos para evitar la necesidad de terminales de aire que sobresalgan.

Los LPS también se pueden integrar en paneles solares en tejados y otras características de diseño sostenible.. En el aeropuerto internacional O'Hare de Chicago,Por ejemplo,un edificio que alberga el equipo de procesamiento de datos y comunicaciones de la Administración Federal de Aviación (FAA) utilizó un techo verde cubierto de tierra para cumplir con las pautas ambientales del aeropuerto. Debido a la naturaleza crítica de los servicios de la FAA,Las pautas de protección contra rayos de la agencia exceden los estándares de la NFPA.

Certificaciones

Los LPS deben ser diseñados e instalados por empresas especializadas que empleen personas cuyas calificaciones incluyan la certificación del Instituto de Protección contra Rayos.. Los propietarios de estructuras críticas también deben exigir la certificación de terceros por parte de la Programa de inspección del Instituto de Protección contra Rayos (LPI-IP) o el programa UL Master Label.

Independientemente del cuidado que se ponga en el diseño e instalación de LPS,Los administradores de instalaciones deben permanecer alerta ante cualquier cosa que pueda alterar la eficacia de un sistema.. Por ejemplo:

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