PARARRAYOS CON DISPOSITIVO DE CEBADO POR IMPULSOS Y PROPAGACIÓN CONTINUA.

Pararrayos del tipo que presenta un dispositivo de cebado, caracterizado porque comprende:

- una primera unidad, llamada "unidad de potencia" (P), que asegura la recogida de la energía eólica y/o solar, su transformación en energía eléctrica y su almacenado; - una segunda unidad, llamada "unida de impulso" (l), que asegura la captura y el almacenado de la energía electroestática ambiente cuando se aproxima una nube tormentosa, y - unos medios adaptados, en función de valores de consigna, para disparar, por una parte, dicha unidad de impulso (l) para el cebado de un trazador ascendente y, por otra parte, dicha unidad de potencia (P) para el mantenimiento de la propagación de dicho trazador

La presente invención se refiere a un pararrayos del tipo que comprende un dispositivo de cebado.

La presente invención encuentra su aplicación en la protección contra el impacto directo del rayo de cualquier estructura, inmueble, casa, fábrica, monumento, centro de ocio, poste de telecomunicación, líneas de transporte de energía, etc.

Como se sabe, el primer dispositivo de protección contra el rayo se debe a BenjamIn Franklin que ha propuesto el pararrayos denominado “pararrayos de Franklin”, también denominado “vástago de Franklin”, “punta inerte” o “punta seca”. Este dispositivo está compuesto por un vástago metálico conectado a tierra y puntiagudo en su parte superior. Su principio de funcionamiento es que al aproximarse a una nube tormentosa, el campo local en la región próxima a la punta del vástago puede, a causa de la amplificación debida al efecto de punta, alcanzar unos valores suficientemente grandes para provocar un efecto corona. Este último corresponde a la formación de un medio ionizado (plasma) muy localizado alrededor de la punta. Es generado por una multitud de avalanchas electrónicas que se suceden de forma casi autónoma. Los electrones gérmenes que son el origen de estas avalanchas pueden ser creados por diversos mecanismos: ionización natural debida a la radioactividad y a las radiaciones cósmicas, desprendimiento de los electrones de los iones negativos, fotoionización del gas, etc.

Durante la fase de madurez de la nube tormentosa, el proceso de electrización se amplifica y, cuando es suficientemente grande, genera un rayo que empieza por la formación, en el seno de la nube, de un trazador ascendente, que se propaga por saltos de algunas decenas de metros en dirección al suelo. Durante esta fase, el efecto corona sobre la punta del vástago Franklin se amplifica y el volumen de expansión del plasma y la punta aumenta.

Cuando el trazador descendente alcanza unas altitudes bastante bajas (inferiores a 100 metros), desarrolla en la proximidad de la punta un campo eléctrico que puede sobrepasar algunos centenares de kV/cm. En presencia de un campo de este tipo, unas descargas eléctricas filamentosas, llamadas “dardo” o “streamers”, tienen origen en el volumen ionizado creado por el efecto corona y se prologan en dirección del trazador descendente dejando detrás de ellas un canal de aire parcialmente ionizado. En función de la energía de la que disponen en el momento de su cebado, energía electroestática almacenada en la capacidad (punta Franklin/trazador descendente), estas descargas pueden recorrer unas distancias más o menos grandes antes de extinguirse y de desaparecer. Cada una de estas descargas está seguida de un periodo oscuro que corresponde a la duración necesaria para el restablecimiento de la distribución del campo eléctrico sobre la punta, duración a la que se añade el tiempo aleatorio de formación de un nuevo electrón germen. La descarga que se inicia más pronto, disponiendo de una energía óptima, puede transformarse en trazador ascendente y llegar hasta la unión con el trazador descendente: es la captura del rayo.

El pararrayos de Franklin obtiene su eficacia del efecto de punta que permite amplificar suficientemente el campo eléctrico local para cebar el trazador ascendente.

Se ha buscado desde hace mucho tiempo aumentar el radio de protección de los pararrayos combinando diversos medios con el efecto de punta del vástago de Franklin. El documento EP 402 552 describe un pararrayos de este tipo.

Entre estos medios, algunos actúan sobre el medio circundante del pararrayos y lo preparan para un eventual rayo y aumentan la densidad de las cargas libres, y por tanto su conductividad. El medio resulta entonces un camino preferente para el trazador descendente. Para crear dichas cargas libres en el aire, se han propuesto varias soluciones entre las cuales se pueden citar:

• la utilización de una fuente radioactiva que consiste en instalar directamente sobre el pararrayos unas pastillas de elementos radioactivos que emiten unos rayos energéticos α. Por ionización, está radiación permite aumentar la frecuencia de producción de los pares electrones/iones positivos en el aire: sin embargo esta solución ya no se puede prever teniendo en cuenta las restricciones reglamentarias de la utilización de los radioelementos en la mayor parte de los países, y en particular en Francia, donde han constituido el objeto de una prohibición definitiva en la fabricación de los pararrayos;

• el recurso a una fuente eléctrica exterior, tal como una batería o un generador de alta tensión, conectada entre la punta del pararrayos y la tierra, pero esta solución implica unas operaciones de mantenimiento que la hacen onerosa y poco práctica;

• la utilización de una fuente piezoeléctrica que consiste en equipar el pararrayos con un dispositivo mecánico que, bajo la acción del viento, ejerce una presión sobre unos elementos de cerámica piezoeléctrica, los cuales suministran una tensión que es aplicada sobre la punta del pararrayos, estando la punta del pararrayos dispuesta

en un casco (cabeza) conductor para proteger los elementos piezoeléctricos del impacto directo del rayo y estando un sistema de orificios realizado en las partes superior e inferior del casco de tal manera que las cargas que son creadas sean expulsadas por efecto Venturi: aunque cualquier nube tormentosa esté acompañada por un viento más o menos intenso, este sistema, que no está equipado con un dispositivo de almacenado y de control de la energía, es tributario de la presencia de viento en algunos instantes que preceden al rayo.

Otros medios que tienden a aumentar el radio de protección de los pararrayos han tenido por objetivo que los trazadores o precursores ascendentes se ceben más pronto sobre la punta del pararrayos que en las otras asperezas inertes circundantes. En general, para ello, los pararrayos han sido equipados con un electrodo para captar el campo eléctrico ambiente y/o su variación temporal. El sistema formado por este electrodo y la parte del pararrayos conectada a tierra se comporta como un condensador cuya capacidad es muy pequeña (algunas decenas de pF). En algunos de estos pararrayos, este condensador permite cargar otro condensador cuya capacidad es más grande (algunos µF). Cuando el valor del campo eléctrico y/o su variación temporal sobrepasa un umbral dado, característico de la aproximación de un trazador descendente, el condensador es descargado sobre la punta del pararrayos, provocando una chispa que inicia el cebado del trazador ascendente. La mayoría de estos sistemas utilizan la energía del campo eléctrico ambiente únicamente para este cebado. Sin embargo, los pararrayos equipados con dichos sistemas no pueden conciliar el avance del cebado y la necesidad energética necesaria para la propagación del trazador ascendente puesto que la capacidad del condensador entre la punta del pararrayos y la tierra debe ser a la vez suficientemente pequeña para permitir un avance del cebado, pero suficientemente grande para mantener la propagación del trazador. Otros sistemas, en contrapartida, preconizan la utilización de la energía del campo eléctrico ambiente para cargar unos condensadores de alta capacidad con el fin de aportar una energía suplementaria a la descara ascendente y mantener su preparación. Estos sistemas adolecen sin embargo de un inconveniente principal: para un mismo rayo, la carga del condensador necesita un campo eléctrico más intenso, lo cual sólo es posible si el rayo está más próximo al pararrayos. Ahora bien, el objetivo perseguido es, por el contrario, aumentar el radio de acción del pararrayos.

Como se desprende de lo que precede, los esfuerzos que se han realizado hasta el presente para aumentar el radio de acción de los pararrayos se han referido, principalmente, a la mejora del tiempo de cebado del trazador ascendente. Sin embargo, la eficacia de un pararrayos no depende únicamente del instante del cebado de una chispa en su punta. También es preciso asegurarse de que esta chispa pueda transformarse en trazador ascendente (“leader”) capaz de propagarse en una gran distancia para enganchar eventualmente el trazador descendente. Durante su propagación, el trazado ascendente obtiene esencialmente su energía del campo eléctrico radiado por el trazador descendente. Sin embargo, el valor de este puede ser insuficiente cuando el cebado del trazador ascendente se produce muy pronto, estando el trazador descendente entonces demasiado lejos. En estas condiciones, la propagación del trazador... [Seguir leyendo]

1. Pararrayos del tipo que presenta un dispositivo de cebado, caracterizado porque comprende:

- una primera unidad, llamada “unidad de potencia” (P), que asegura la recogida de la energía eólica y/o solar, su transformación en energía eléctrica y su almacenado;

- una segunda unidad, llamada “unida de impulso” (l), que asegura la captura y el almacenado de la energía electroestática ambiente cuando se aproxima una nube tormentosa, y

- unos medios adaptados, en función de valores de consigna, para disparar, por una parte, dicha unidad de impulso (l) para el cebado de un trazador ascendente y, por otra parte, dicha unidad de potencia (P) para el mantenimiento de la propagación de dicho trazador.

2. Pararrayos según la reivindicación 1, caracterizado porque la unidad de potencia comprende, para la recogida de la energía eólica y/o solar, un dispositivo de células fotovoltaicas (16) y (17) y/o un dispositivo eólico con células piezoeléctricas (3a) y (3b) y/o un dispositivo eólico acoplado a un alternador con imanes permanentes (14) y (15), y para el almacenado de la energía eléctrica, por lo menos un condensador de alta capacidad (6).

3. Pararrayos según la reivindicación 1 ó 2, caracterizado porque dicha unidad de impulso comprende, como medio de captura de la energía electrostática ambiente, un órgano de toma de potencial (4), y como medio de almacenado de esta energía, por lo menos un condensador de baja capacidad (7).

4. Pararrayos según la reivindicación 3, caracterizado porque la capacidad del condensador de impulso (7) está optimizada con el fin de captar el máximo de energía electrostática atmosférica permitiendo al mismo tiempo que la tensión en sus bornes alcance el umbral de cebado de una descarga “dardo” sobre el órgano de toma de potencial (4).

5. Pararrayos según la reivindicación 3 ó 4, caracterizado porque comprende además un primer sensor integrado (9) que mide el campo eléctrico ambiente captado por dicho órgano de toma de potencial (4) para compararlo con un valor ligeramente inferior al umbral de cebado característico de una descarga “dardo” y que, si el campo eléctrico ambiente medido sobrepasa este valor, manda la inversión de la tensión en los bornes de dicho condensador (7) de la unidad de impulso.

6. Pararrayos según la reivindicación 5, caracterizado porque dicho primer sensor integrado (9) dispara la inversión de la tensión en los bornes del condensador de impulso (7) cuando la tensión en los bornes de dicho condensador

(7) es por lo menos igual al 90% del umbral de cebado de una descarga “dardo”.

7. Pararrayos según la reivindicación 5 ó 6, caracterizado porque el tiempo necesario para la inversión de la tensión en los bornes del condensador de impulso (7) es como máximo igual a 10 µs.

8. Pararrayos según la reivindicación 5, 6 ó 7, caracterizado porque la inversión de la tensión en los bornes del condensador de impulso (7) provoca la inversión de la polaridad del órgano de toma de potencial (4) y el cebado de una descarga eléctrica sobre el órgano de toma de potencial (4).

9. Pararrayos según una de las reivindicaciones 5 a 8, caracterizado porque comprende un segundo sensor integrado (8) que mide la intensidad de la descarga eléctrica que se forma sobre el órgano de toma de potencial (4) para compararla con un valor de intensidad característico de una descarga de tipo trazador y que, si la intensidad medida es superior o igual a este umbral, manda la descarga del condensador (6) de la unidad de potencia.

10. Pararrayos según la reivindicación 2, caracterizado porque utiliza la energía almacenada en el condensador (6) de la unidad de potencia de manera acoplada y síncrona con la energía electroestática presente en la atmosfera cuando se aproxima un rayo.

11. Pararrayos según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque comprende unos medios que permiten detectar la polaridad de una nube tormentosa.

12. Pararrayos según la reivindicación 11, caracterizado porque la unidad de potencia comprende un transformador de impulso de alta tensión (TRIHT) con dobles arrollamientos primarios (LPNIHT,LPPIHT) conectados cada uno, a través de uno de dos tiristores de potencia (THN,THP), a dicho condensador de alta capacidad (6), formando el condensador de almacenado, descargándose dicho condensador a través de aquél de los arrollamientos primarios que es seleccionado en función de la polaridad de la nube tormentosa, de manera que el impulso de alta tensión suministrado por el secundario es de signo contrario al de dicha nube tormentosa.

13. Pararrayos según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque comprende un descargador (13) coronado por la base ensanchada en paraguas (4a) del órgano de toma de potencial (4).