Tensiones de paso y toque por descargas en la PAT del pararrayos
Cuando la corriente de rayo fluye por el conductor de bajada y se dispersa a través del electrodo de tierra del LPS, genera un gradiente de potencial en la superficie del suelo que puede ser letal para personas en las inmediaciones — incluso si no están en contacto con ningún elemento metálico de la instalación. IEC 62305-3 define el peligro y los requisitos de protección.
01Corriente de rayo en la PAT del LPS
Un LPS (Lightning Protection System) según IEC 62305-3 conduce la corriente de un rayo directo desde el terminal de captación (puntas Franklin o malla de captación) hasta el electrodo de tierra, pasando por los conductores de bajada. Durante este proceso, la corriente de rayo (típicamente 10–200 kA de pico, forma 10/350 µs o 1.2/50 µs) se disipa en el suelo a través de la PAT del pararrayos.
La totalidad de la corriente de rayo fluye por el electrodo de tierra del LPS durante una fracción de milisegundo. Si la resistencia de la PAT es de 10 Ω (valor recomendado), una corriente de 50 kA genera un potencial de 500 kV respecto a tierra remota en el punto de inyección. Este potencial, aunque brevísimo en duración, se distribuye en gradientes sobre la superficie del suelo que son peligrosos para las personas que se encuentren en las inmediaciones.
02Distribución de potencial en el suelo
Para un electrodo hemiesférico simplificado de radio r₀, el potencial en la superficie del suelo a una distancia r del punto de inyección es:
U_paso(r) = V(r) − V(r+1) = ρ×I/(2π) × [1/r − 1/(r+1)]
U_toque(r) = V(0) − V(r) = R_PAT×I − ρ×I/(2π×r)
donde: ρ = resistividad suelo [Ω·m], I = corriente rayo [A]
03Tensión de paso
La tensión de paso (Upaso o Ustep) es la diferencia de potencial entre dos puntos en la superficie del suelo separados 1 metro, en la dirección del gradiente máximo (radialmente desde el punto de inyección). Representa la tensión que aparece entre los dos pies de una persona que camina en la zona afectada.
- La tensión de paso es máxima cerca del electrodo y decrece con r²: A 1 m del electrodo hemiesférico, U_paso puede ser 10–20× mayor que a 5 m. El gradiente decrece más rápidamente con la distancia que el potencial absoluto.
- Ejemplo numérico: ρ = 500 Ω·m, I = 30 kA, electrodo hemiesférico r₀ = 0.5 m. A r = 1 m: U_paso = 500×30000/(2π) × [1/1 − 1/2] = ~1.2 MV. A r = 5 m: U_paso ≈ 72 kV. A r = 10 m: U_paso ≈ 23 kV. Todos estos valores son letales.
- La postura importa: La corriente a través del cuerpo humano en el circuito de la tensión de paso entra por un pie y sale por el otro, pasando por las piernas y sin incluir el corazón directamente. La resistencia del circuito incluye la resistencia del suelo bajo los pies (Rsuelo) y la resistencia corporal (Rcuerpo ≈ 1000 Ω).
04Tensión de toque
La tensión de toque (Utoque o Utouch) es la diferencia de potencial entre un elemento metálico conectado al sistema LPS (conductor de bajada, estructura, valla metálica) y la superficie del suelo a 1 metro de dicho elemento. Representa la tensión que aparece entre la mano y los pies de una persona que toca el elemento metálico durante una descarga.
Además, los elementos metálicos conectados al LPS que pueden generar tensión de toque no se limitan al conductor de bajada. Cualquier elemento metálico en contacto galvánico con el electrodo de tierra del pararrayos — incluyendo la estructura del edificio, las rejas de ventilación, los pasamanos metálicos y las tuberías — puede alcanzar el potencial del electrodo durante la descarga si está a baja impedancia con él.
05Umbral de seguridad para personas
IEC 60479-1 define los efectos fisiológicos de la corriente eléctrica en el cuerpo humano y los umbrales de seguridad. Para el caso específico de la corriente de rayo (impulso unipolar de microsegundos), los límites difieren de los de 50 Hz:
| Efecto fisiológico | Corriente 50 Hz (mano-pie) | Corriente impulso 10/350 µs |
|---|---|---|
| Percepción | 0.5 mA | ~5 mA cresta |
| Reacción involuntaria (no soltarse) | 10 mA | ~50 mA cresta |
| Riesgo fibrilación (probabilidad baja) | 30 mA / 1 s | ~1 A cresta / 1 µs |
| Fibrilación ventricular probable | 50–100 mA / 1 s | ~5–10 A cresta / 10 µs |
06Factores que amplifican el riesgo
07Cálculo según IEC 62305-3
IEC 62305-3 Anexo D proporciona la metodología para evaluar si las tensiones de paso y toque son tolerables en la zona del LPS. La norma define la condición de tolerabilidad como función de la carga específica de energía del rayo y la resistencia del circuito cuerpo-suelo:
U_toque / U_tolerable ≤ 1
U_tolerable (toque) ≈ 110 kV (LPL IV) a 370 kV (LPL I)
→ pero estas son las tolerables sin ninguna medida adicional.
Si U_toque > U_tolerable, se requiere:
a) Aislamiento del conductor de bajada (≥ 100 kV aislamiento)
b) Barrera física a ≥ 3 m del bajada
c) Equipotencialización local del suelo (asfalto, grava)
En la práctica, IEC 62305-3 §8.3 establece que si no se realizan medidas de protección frente a tensiones de paso y toque, el acceso a la zona cercana al conductor de bajada durante tormentas es peligroso. La norma clasifica las medidas de protección en físicas (barreras, señalización) y de equipotencialización (anillos de tierra, revestimientos de alta resistividad).
08Medidas de mitigación
IEC 62305-3 §8.3 lista las medidas posibles en orden de preferencia. Se pueden combinar varias de ellas:
- Aislamiento del conductor de bajada: El conductor de bajada se instala con una cubierta de aislamiento capaz de soportar el impulso de corriente de rayo (típicamente 100 kV según IEC 62305-3 §5.3.1). En este caso, el conductor metálico superficial es accesible porque está aislado del potencial de tierra transitorio. Esta es la medida más sencilla y efectiva en edificios urbanos.
- Barrera física: Instalar una valla o cercado no conductor (madera, plástico) que impida el acceso a 3 m del conductor de bajada. La señalización de «peligro — rayo» debe colocarse visiblemente a nivel del suelo. Distancia mínima: IEC 62305-3 §8.3 → 3 m desde el bajada.
- Revestimiento de alta resistividad: Cubrir el suelo alrededor del electrodo y del bajada con asfalto (10 cm de espesor, ρ ≈ 10 kΩ·m) o grava seca (20 cm, ρ ≈ 3–10 kΩ·m) en un radio de 3 m. Aumenta R₃ (resistencia de contacto pie-suelo), reduciendo la corriente corporal aunque la tensión de paso sea alta.
- Anillos equipotenciales de tierra: Instalar un anillo conductor enterrado a 50–100 cm de profundidad a 1 m, 3 m y 6 m del electrodo principal, interconectado con él. Los anillos establecen franjas de equipotencial más uniformes en la superficie del suelo, reduciendo los gradientes de tensión de paso entre ellos. Esta es la medida estándar para centrales eléctricas, subestaciones de AT y instalaciones en zonas con acceso de personal.
- Equipotencialización general: Conectar todos los elementos metálicos accesibles en las proximidades del LPS (vallas, tuberías exteriores, marcos de puerta) al sistema de tierra del LPS. Reduce las tensiones de toque al eliminar las diferencias de potencial entre elementos metálicos accesibles.
09Conclusión y checklist de diseño
⚡ Checklist de protección frente a paso y toque en LPS
- ¿Hay acceso de personas al área dentro de 3 m del conductor de bajada? Si la respuesta es sí durante tormentas, es obligatorio implementar al menos una de las medidas de IEC 62305-3 §8.3 (aislamiento del bajada, barrera física, revestimiento de alta ρ).
- ¿El electrodo de tierra está en un patio, zona verde o accesible? Instalar anillos equipotenciales concéntricos a 1, 3 y 6 m del punto de inyección, especialmente en suelos de alta resistividad.
- ¿Hay animales en las inmediaciones? Los cuadrúpedos son más vulnerables a la tensión de paso. En entornos rurales, considerar revestimiento de grava o asfalto en el área de 6 m alrededor del sistema de bajada.
- ¿Los elementos metálicos próximos (vallas, tuberías) están equipotencializados? Si no están conectados al mismo electrodo del LPS, pueden presentar grandes diferencias de potencial durante la descarga (tensión de toque). Requieren conexión equipotencial al LPS o separación de ≥ 3 m.
- La señalización de zona de peligro durante tormentas es obligatoria en instalaciones con LPS visible donde haya personal. IEC 62305-4 §6.2 contempla medidas de gestión del riesgo que incluyen procedimientos operativos durante tormentas.
- El tratamiento de la PAT del pararrayos con bentonita, sales higroscópicas o materiales conductivos reduce R_PAT pero no reduce los gradientes de potencial superficial si no va acompañado de anillos equipotenciales enterrados.
Referencias normativas y técnicas
- IEC 62305-3:2010 — Protection against lightning — Part 3: Physical damage to structures and life hazard (§8.3 tensiones de paso y toque, Anexo D)
- IEC 62305-2:2010 — Protection against lightning — Part 2: Risk management (parámetro Lₐ probabilidad de daño a personas)
- IEC 60479-1:2016 — Effects of current on human beings and livestock — Part 1: General aspects (umbrales de seguridad fisiológica)
- IEEE 80-2013 (Inactive-Reserved 2024) — Guide for Safety in AC Substation Grounding (Capítulos 5 y 8: análisis de paso y toque)
- Rakov, V.A. & Uman, M.A. — Lightning: Physics and Effects, Cambridge University Press, 2003 (Capítulo 11: Lightning hazards)
- Visacro, S. & Alipio, R. — «Characterization of the impulsive grounding resistance of typical grounding systems», IEEE Trans. Power Delivery, vol.27, no.4, 2012
- IEC 62305-1:2010 — Protection against lightning — Part 1: General principles (Tabla 5: parámetros de rayo por LPL)