Dispositivo de protección contra el rayo con electrodo captador que presenta un extremo de geometría virtualmente variable, y procedimiento correspondiente.

Dispositivo de protección contra el rayo que comprende un electrodo captador (1) configurado para captar una corriente del rayo y para descargarla en la tierra,

conectado a la tierra y presentado un extremo libre (1a), comprendiendo dicho dispositivo unos medios de variación (2, 3) del comportamiento eléctrico del extremo libre (1a), configurados para hacer variar al menos el coeficiente de amplificación del campo eléctrico local en la proximidad de este extremo libre (1a), estando dicho dispositivo caracterizado por que comprende igualmente unos medios de medición (4) del campo eléctrico ambiente y/o de su variación en el transcurso del tiempo, unidos a los medios de variación (2, 3) del comportamiento eléctrico del extremo libre (1a), y unos medios de activación para activar dichos medios de variación (2, 3) en función del valor del campo eléctrico ambiente y/o de su variación en el transcurso del tiempo, obtenida por los medios de medición (4).

Dispositivo de protección contra el rayo con electrodo captador que presenta un extremo de geometría virtualmente variable, y procedimiento correspondiente.

La presente invención tiene por objetivo un dispositivo de protección contra el rayo, y un procedimiento correspondiente. Encuentra particularmente su aplicación en los dispositivos del tipo pararrayos que comprenden un electrodo captador denominado “varilla simple” que permite la descarga de la corriente del rayo a la tierra.

El pararrayos, inventado por Benjamín Franklin en el siglo XVIII, constituye una protección primaria de base contra el rayo, cuyo principio fundamental es procurar a la descarga principal un camino preferente que permita evacuar la energía a la tierra.

No obstante, el más simple pararrayos, reducido a una varilla simple, no permite gestionar de manera adecuada todos los fenómenos que entran en juego durante el desarrollo de una tormenta. Por lo que un pararrayos no cumple por tanto su función correctamente.

El rayo es efectivamente una descarga de alta intensidad con una gran capacidad destructora. Este fenómeno natural continúa siendo hoy en día difícilmente previsible.

Para hacer frente a esta situación, los sistemas conocidos de protección contra el rayo buscan particularmente guiar la descarga hacia la tierra de manera controlada, con el fin de evitar los estragos en las instalaciones industriales y núcleos de población.

El pararrayos continúa siendo por tanto uno de los elementos fundamentales en estos sistemas de protección contra el rayo.

Se conocen de este modo, en efecto, unos dispositivos del tipo pararrayos, dispuestos por ejemplo sobre el tejado de ciertos edificios, cuyo objetivo es captar el rayo para que éste sea canalizado y evacuado a la tierra, y así no golpee en cualquier sitio.

En su versión de base, un pararrayos está constituido por un mástil o un electrodo captador metálico, cuyo extremo puede estar tanto afilado (en punta) como redondeado, y que se coloca en el alto. Este electrodo captador está conectado a la tierra mediante un cable conductor.

Se han desarrollado diferentes tipos de pararrayos perfeccionados cuya eficacia está incrementada.

Dichos pararrayos tienen en cuenta de manera más fina el fenómeno natural constituido por el rayo tal como se explica a continuación en el presente documento.

Durante el buen tiempo, se puede medir en la superficie de la corteza terrestre, y sobre terreno plano, un campo eléctrico, vertical positivo por convención, del orden de 100 a 150 V/m, debido a unas cargas positivas situadas a unas alturas del orden de 50 km.

Durante el desarrollo de un proceso tormentoso, las nubes se cargan eléctricamente, positivamente en la parte superior y negativamente en la parte inferior. A veces, se encierra un islote de cargas positivas en la masa negativa.

Globalmente, la nube tormentosa constituye por tanto un verdadero dipolo, las cargas de los signos contrarios crean entre sí unos campos eléctricos intensos. Cuando se alcanza un gradiente límite del campo eléctrico, denominado a veces gradiente de distensión, la descarga se produce. Si esta descarga tiene lugar entre capas inferiores de la misma nube, se habla de relámpago intra-nube y si esta descarga tiene lugar entre capas de nubes diferentes, se habla de relámpagos entre nubes.

Más precisamente, el sistema constituido por las nubes cargadas y el suelo, separadas por una capa de aire de varios centenares de metros a varios kilómetros, juega el papel de un gigantesco condensador en el que el aire juega el papel de dieléctrico.

Los fenómenos físicos asociados al rayo presentan una fuerte analogía con los procedimientos de degradación de los condensadores.

De ese modo, con referencia a las figuras 1A y 1B, en un condensador constituido por unas superficies perfectas 10, 11 las líneas de campo eléctrico 12 parten perpendicularmente de la superficie cargada positivamente 10, y vuelven a entrar igualmente de modo perpendicular en la cargada negativamente 11 (véase la figura 1A) .

Las irregularidades de las superficies producen un efecto de concentración de las líneas de campo 12 (véase la figura 1B) . Esta intensificación local del campo es conocida bajo el nombre de efecto de punta.

La fuerte amplitud del campo eléctrico en los alrededores de la irregularidad 13 produce, a partir de un cierto umbral, la ionización de las moléculas presentes en el dieléctrico.

Este fenómeno de ionización produce, a su vez, la emisión de luz que se denomina efecto corona o luz de corona.

Las partículas cargadas liberadas durante la ionización son aceleradas por el campo eléctrico, siguiendo las líneas de fuerza, y acaban por tropezar con otras moléculas. Este choque provoca una nueva ionización, durante la que se liberan nuevas partículas cargadas, y siguen el mismo proceso de aceleración y de impacto.

El resultado final se denomina avalancha electrónica, que se manifiesta como una corriente que se propaga a través del espacio comprendido entre las placas del condensador.

Esta avalancha es alimentada por la energía producida por el campo eléctrico. Este fenómeno constituye el comienzo de un procedimiento de degradación, o ruptura, del material dieléctrico, que se convierte en conductor en los entornos en los que tiene lugar la avalancha electrónica.

Si el canal conductor así creado llega a conectar las dos placas del condensador, se establece una corriente mucho más intensa que la de avalancha electrónica, que busca reequilibrar las cargas de las dos placas.

Por analogía, y en referencia a las figuras 2A a 2C, a escala atmosférica, el rayo es el fenómeno mediante el que el dieléctrico (capa de aire) se degrada con la creación de un canal conductor 14 que dirige la descarga de la nube tormentosa 15 hacia el suelo (véanse las figuras 2A, 2B, 2C) .

El rayo del tipo más frecuente, en las regiones de clima templado, comienza por una descarga negativa 14a que desciende desde las nubes hasta el suelo, a la que se denomina generalmente trazador descendente 14a (véase la figura 2A) .

Este trazador 14a produce un incremento brusco del campo eléctrico cuando se aproxima a la zona de impacto, este incremento da lugar a la aparición del efecto corona sobre las irregularidades del terreno.

Se crean entonces unas corrientes de avalancha electrónica diferentes, denominadas trazadores ascendentes 14b (figura 2B) . Estas corrientes se propagan hacia el trazador descendente 14a. Cuando el trazador descendente 14a y uno de los trazadores ascendentes 14b se ponen en contacto, se establece en canal conductor 14, que permite a la nube 15 descargarse hacia el suelo (figura 2C) . El resto de los trazadores ascendentes 14b se agotan una vez que la intensidad del campo eléctrico vuelve a descender.

Un pararrayos se basa por lo tanto en el principio del efecto de punta.

En efecto, un pararrayos favorece la formación de un trazador ascendente durante la aproximación de un trazador descendente.

Además, el objeto se coloca generalmente en la parte alta, de manera que el trazador ascendente que salga del pararrayos tenga una ventaja sobre los otros trazadores ascendentes eventuales que procedan de las irregularidades más bajas.

De ese modo, al colocar un pararrayos en la parte alta, se busca maximizar la probabilidad de que el trazador ascendente que sale del pararrayos establezca contacto con el trazador descendente y dé lugar al canal conductor.

Una vez creado, este canal permite guiar la descarga del rayo a través del pararrayos y el cable conductor hasta la tierra.

Uno de los problemas que se plantean es por tanto conseguir que el efecto corona se transforme en un trazador ascendente a partir del electrodo captador del pararrayos.

Se sabe que la carga del espacio positiva depositada por el efecto corona reduce localmente el campo eléctrico cerca del extremo libre del electrodo captador del pararrayos. Se sabe igualmente que la avalancha electrónica asociada al efecto corona continúa mientras que el campo creado por los iones positivos no debilite el campo ambiente más allá de un cierto umbral.

De ese modo, es necesario un valor mínimo del campo ambiente para obtener el desarrollo de un trazador

ascendente positivo. Este valor mínimo se denomina a veces “campo de desarrollo”.

Se constata por otro lado que la intensidad del campo eléctrico en la proximidad del extremo libre del electrodo captador varía según la geometría de este extremo.

De ese modo, por ejemplo, la intensidad del campo eléctrico es más importante en la proximidad... [Seguir leyendo]

1. Dispositivo de protección contra el rayo que comprende un electrodo captador (1) configurado para captar una corriente del rayo y para descargarla en la tierra, conectado a la tierra y presentado un extremo libre (1a) , comprendiendo dicho dispositivo unos medios de variación (2, 3) del comportamiento eléctrico del extremo libre (1a) , configurados para hacer variar al menos el coeficiente de amplificación del campo eléctrico local en la proximidad de este extremo libre (1a) , estando dicho dispositivo caracterizado por que comprende igualmente unos medios de medición (4) del campo eléctrico ambiente y/o de su variación en el transcurso del tiempo, unidos a los medios de variación (2, 3) del comportamiento eléctrico del extremo libre (1a) , y unos medios de activación para activar dichos medios de variación (2, 3) en función del valor del campo eléctrico ambiente y/o de su variación en el transcurso del tiempo, obtenida por los medios de medición (4) .

2. Dispositivo según la reivindicación 1, caracterizado por que los medios de variación (2, 3) del comportamiento eléctrico del extremo libre (1a) comprenden un medio auxiliar (2) configurado para ser llevado a al menos un potencial eléctrico determinado, dispuesto en la proximidad del extremo libre (1a) y unido a un generador de tensión eléctrica (3) .

3. Dispositivo según la reivindicación 2, caracterizado por que el medio auxiliar (2) se dispone por debajo del extremo libre (1a) .

4. Dispositivo según la reivindicación 2 o 3, caracterizado por que el medio auxiliar (2) se dispone a una distancia del electrodo captador (1) inferior o igual a 15 mm.

5. Dispositivo según una cualquiera de las reivindicaciones 2 a 4, caracterizado por que el medio auxiliar (2) comprende un elemento metálico (2) constituido por un anillo (2) , por un disco o por un cilindro hueco (2) .

6. Dispositivo según una cualquiera de las reivindicaciones 2 a 5, caracterizado por que los medios de activación se configuran para polarizar el medio auxiliar (2) con una tensión eléctrica del mismo signo que la del campo ambiente, de tal manera que el extremo libre (1a) del electrodo captador (1) se convierta virtualmente en más afilado.

7. Dispositivo según una cualquiera de las reivindicaciones 2 a 6, caracterizado por que los medios de activación se configuran para polarizar el medio auxiliar (2) con una tensión eléctrica de signo opuesto a la del campo ambiente

o con una tensión nula, de tal manera que el extremo libre (1a) del electrodo captador (1) se convierta virtualmente en más redondeado.

8. Procedimiento de captación de una corriente del rayo en un electrodo captador (1) unido a la tierra y que presenta un extremo libre (1a) , que consiste particularmente en hacer variar al menos el coeficiente de amplificación del campo eléctrico local en la proximidad de este extremo libre (1a) , a través de los medios de variación (2, 3) del comportamiento eléctrico de este extremo libre (1a) , estando dicho procedimiento caracterizado por que comprende al menos una etapa de medición del campo eléctrico ambiente y/o de su variación en el transcurso del tiempo, y al menos una etapa de variación de la característica eléctrica del extremo libre (1a) en función del valor medido del campo eléctrico ambiente y/o de su variación en el transcurso del tiempo.

9. Procedimiento según la reivindicación 8, caracterizado por que la variación de la característica eléctrica del extremo libre (1a) se obtiene haciendo variar el potencial eléctrico de un medio auxiliar (2) dispuesto en la proximidad del extremo libre (1a) y conectado a un generador de tensión eléctrica (3) .

10. Procedimiento según la reivindicación 9, caracterizado por que comprende una etapa en el curso de la que el medio auxiliar (2) se polariza con una tensión de signo opuesto a la del campo ambiente o una tensión nula, de tal manera que el extremo libre (1a) del electrodo captador se convierte virtualmente en más redondeado.

11. Procedimiento según la reivindicación 9 o 10, caracterizado por que comprende una etapa en el curso de la que el medio auxiliar (2) se polariza con una tensión del mismo signo que la del campo ambiente, de tal manera que el extremo libre (1a) del electrodo captador se convierte virtualmente en más afilado.

12. Procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones 9 a 11, caracterizado por que comprende una primera etapa en el curso de la que el medio auxiliar (2) se polariza con una tensión de signo opuesto a la del campo ambiente o con una tensión nula, seguida por una segunda etapa en el curso de la que el medio auxiliar (2) se polariza con una tensión del mismo signo que la del campo ambiente.

13. Procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones 9 a 12, caracterizado por que comprende una primera etapa en el curso de la que el medio auxiliar (2) se polariza con una tensión de signo opuesto a la del campo ambiente, seguida de una segunda etapa en el curso de la que el medio auxiliar (2) se polariza con una tensión nula

o una tensión del mismo signo que la del campo ambiente.

14. Procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones 9 a 13, caracterizado por que comprende una primera etapa en el curso de la que el medio auxiliar (2) se polariza con una primera tensión de signo opuesto a la del campo ambiente, seguida de una segunda etapa en el curso de la que el medio auxiliar (2) se polariza con una segunda tensión de signo opuesto a la del campo ambiente, siendo el valor de la segunda tensión superior al de la primera tensión.

15. Procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones 9 a 14, caracterizado por que comprende una primera etapa en el curso de la que el medio auxiliar (2) se polariza con una primera tensión del mismo signo que la del campo ambiente, seguido de una segunda etapa en el curso de la que el medio auxiliar (2) se polariza con una segunda tensión del mismo signo que la del campo ambiente, siendo el valor de la segunda tensión superior al de la primera tensión.

16. Procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones 12 a 15, caracterizado por que la segunda etapa se realiza cuando la variación instantánea del campo ambiente en el transcurso del tiempo sobrepasa un umbral 15 predeterminado.