Nt c Rayos Medellin 06

NORMA TNORMA TÉÉCNICA COLOMBIANA DE CNICA COLOMBIANA DE PROTECCIPROTECCIÓÓN CONTRA RAYOSN CONTRA RAYOS

FilosofFilosofíía y Resultadosa y Resultados

Horacio TorresHoracio Torres--SSááncheznchezProfesor Titular UN Profesor Titular UN -- Director PAASDirector PAAS--UNUN

Universidad Nacional de ColombiaUniversidad Nacional de Colombiawww.paas.unal.edu.cowww.paas.unal.edu.co

SEMINARIO INTERNACIONAL SEGURIDAD, RIESGO, SEMINARIO INTERNACIONAL SEGURIDAD, RIESGO, CALIDAD Y PROTECCIONES ELCALIDAD Y PROTECCIONES ELÉÉCTRICAS CTRICAS ––

MedellMedellíín 5, 6 y 7 de julio de 2006n 5, 6 y 7 de julio de 2006

AntecedentesAntecedentes

1993: 1993: Tercer Concurso Nacional sobre Tercer Concurso Nacional sobre NormalizaciNormalizacióón Tn Téécnica BASFcnica BASF--ICONTECICONTEC1994: Conformaci1994: Conformacióón CT 147. Reactivacin CT 147. Reactivacióón del n del WG 33.01 WG 33.01 ““LightningLightning”” CIGRECIGRE1999: Primera NTC45521999: Primera NTC45522002: Colombia miembro activo IEC TC81. 2002: Colombia miembro activo IEC TC81. ReestructuraciReestructuracióón normas IEC sobre n normas IEC sobre ““LightningLightning””2004: Segunda NTC45522004: Segunda NTC4552--2004 (vigente). 2004 (vigente). ReestructuraciReestructuracióón del CIGRE. Nuevo TFC4.04.4B n del CIGRE. Nuevo TFC4.04.4B ““LightningLightning in tropical in tropical regionsregions””20052005-- Armonizar IECArmonizar IEC--NTC NTC

En toda actividad de Ciencia y TecnologEn toda actividad de Ciencia y Tecnologíía es demostrable a es demostrable que no hay verdades absolutas sino certezas temporales. Un que no hay verdades absolutas sino certezas temporales. Un ejemplo de ello han sido los parejemplo de ello han sido los paráámetros del rayo medidos metros del rayo medidos por por BergerBerger entre la dentre la déécada de 1950 y 1970, que han servido cada de 1950 y 1970, que han servido como base para el desarrollo de las grandes investigaciones como base para el desarrollo de las grandes investigaciones de rayos en el mundo y en normalizacide rayos en el mundo y en normalizacióón internacional, que n internacional, que hoy son cuestionados con rigurosidad por mediciones hoy son cuestionados con rigurosidad por mediciones directas de pardirectas de paráámetros del rayometros del rayo11 en la misma zona templada en la misma zona templada donde fueron medidos hace 50 adonde fueron medidos hace 50 añños y por mediciones en os y por mediciones en zona tropicalzona tropical2,32,3..

11 DiendorferDiendorfer et. al. et. al. ““Statistical of lightning current parameters Statistical of lightning current parameters measurement at the measurement at the GeisbergGeisberg TowerTower””, ILDC, 2004, Ref 64., ILDC, 2004, Ref 64.2 2 F. de la Rosa, K. Cummins, L. F. de la Rosa, K. Cummins, L. DelleraDellera, G. , G. DiendorferDiendorfer, A. , A. GalvGalváánn, J. , J. HusseHusse, , V. Larsen, C.A. V. Larsen, C.A. NucciNucci, F. , F. RachidiRachidi, V. , V. RakovRakov, H. Torres and M.A. , H. Torres and M.A. UmanUman. . ““Characterization of lightning for applications in Electric PowerCharacterization of lightning for applications in Electric Power SystemsSystems””Journal Electra Journal Electra -- Technical Brochure No. 172, CIGRE WG. 33.01.02, Technical Brochure No. 172, CIGRE WG. 33.01.02, December 2000.December 2000.3 3 VisacroVisacro, S. , S. et.alet.al ““Statistical analysis of lightning current parameters: Statistical analysis of lightning current parameters: Measurements at Measurements at MorroMorro do do CachimboCachimbo stationstation”” Journal of Geophysical Journal of Geophysical Research JGR, Vol. 109, D01105. 2004.Research JGR, Vol. 109, D01105. 2004.

Pierce (1970)Pierce (1970)11 deduce deduce queque: : ““the mean the mean number of strokes per flash varied number of strokes per flash varied systematically with latitudesystematically with latitude””

Prentice and Prentice and MackerrasMackerras (1977)(1977)22: : obtained obtained empirical relationship between the ratio of empirical relationship between the ratio of cloud to cloudcloud to cloud--ground lightning flashes and ground lightning flashes and latitudelatitude..

1 Pierce, E.T. “Latitudinal variation of lightning parameters “J. Appl. Meteor., 9, 194-195, 1970.2 Prentice, S.A., Mackerras, D. “The Ratio of Cloud to Cloud-Ground Lightning Flashes in Thunderstorms”, Jour. Of App. Met. Vol. 16, pp. 545-550, 1977

La La estimaciestimacióónn de de corrientecorriente picopico de de rayorayo realizadarealizadaporpor Lee et al. en Kuala Lee et al. en Kuala LampurLampur (1979)(1979)33 : : ““support the support the statement that statement that larger stroke current values may be larger stroke current values may be expected in tropical countriesexpected in tropical countries. . ““

Orville (1990)Orville (1990)44 investiginvestigóó laslas variacionesvariaciones de de corrientecorriente picopico de la de la corrientecorriente de de retornoretorno del del rayorayocomocomo unauna funcionfuncion de la latitude y de la latitude y encontrencontróó queque: : ““the the generation of lightning strokes and their generation of lightning strokes and their characteristics may be a sensitive function of latitude characteristics may be a sensitive function of latitude and hence of temperatureand hence of temperature..””

33 Lee S.C., Lim K.K., Lee S.C., Lim K.K., MeiappaMeiappa M., M., LiewLiew A.C. A.C. ““Determination of Lightning Determination of Lightning Current using Frame AerialsCurrent using Frame Aerials””. IEEE Transactions on Power Apparatus . IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems. Vol. PASand Systems. Vol. PAS--98. No 5. Sep. /Oct. 1979.98. No 5. Sep. /Oct. 1979.44 Orville, R. Orville, R. ““PeakPeak--current variations of lightning return strokes as a current variations of lightning return strokes as a function of latitudefunction of latitude””, Nature, Vol. 343, Jan. 1990., Nature, Vol. 343, Jan. 1990.

Para estimar la corriente pico de rayo LPC Torres Para estimar la corriente pico de rayo LPC Torres et. al. (1996)et. al. (1996)55 realizaron 167 mediciones de campo realizaron 167 mediciones de campo elelééctrico con antenas de placa y el LLS instalado en ctrico con antenas de placa y el LLS instalado en Colombia. Colombia. Los Los resultadosresultados muestranmuestran: : ““ppreliminary reliminary evidence that LPC higher than in other latitudes evidence that LPC higher than in other latitudes could be expected for a tropical zone as Colombiacould be expected for a tropical zone as Colombia ““

VisacroVisacro et. al.et. al.66 encontrencontróó queque el valor el valor mediomedio de la de la corrientecorriente picopico de de rayorayo (40 and 45 kA for the first (40 and 45 kA for the first stroke and 16 kA for subsequent strokes) stroke and 16 kA for subsequent strokes) are higher are higher than other values of another referencesthan other values of another references

55 Torres, H., Torres, H., RondonRondon, D., , D., BriceBriceññoo, W., , W., BarretoBarreto, L., , L., ““Lightning peak Lightning peak current estimation analysis from field measurements in tropical current estimation analysis from field measurements in tropical zoneszones””, Proceedings 23rd. , Proceedings 23rd. ICLP, ICLP, FlorenceFlorence, , ItalyItaly , Sep.1996., Sep.1996.66 VisacroVisacro, S. , S. et.alet.al ““Statistical analysis of lightning current parameters: Statistical analysis of lightning current parameters: Measurements at Measurements at MorroMorro do do CachimboCachimbo stationstation”” Journal of Geophysical Journal of Geophysical Research JGR, Vol. 109, D01105. 2004.Research JGR, Vol. 109, D01105. 2004.

“La contribución al circuito global está dominado por una superposición

de efectos de las tres mayores zonas de convección:Suramérica Tropical, Centro de África y el Continente Marítimo”

(Wilson – Whipple, 1920 – 1930)

OTD - LIS

“Las magnitudes de los parámetros de la descarga eléctrica atmosférica

utilizados en aplicaciones en ingeniería (Nivel Ceráunico, Densidad de Rayos a Tierra,

Polaridad, Corriente de Retorno de Rayo y Rata de Ascenso de la

Corriente de Rayo) varían espacial y temporalmente. ”

Torres, H. “El Rayo”, Ed. UNIBIBLOS, Bogotá, 2002

Parámetros del rayo para aplicaciones en ingeniería

1.1. Nivel CerNivel Cerááunico.unico.2.2. Densidad de Descargas Densidad de Descargas

a Tierra.a Tierra.3.3. Amplitud de la corriente Amplitud de la corriente

de Retorno.de Retorno.4.4. Polaridad.Polaridad.5.5. MultiplicidadMultiplicidad66 Forma de impulso de la Forma de impulso de la

corriente de retorno

Espacio y Espacio y Tiempo Tiempo (CIGRE (CIGRE 2000)2000)

corriente de retorno

1. Nivel Ceráunico - Definición

“Para obtener resultados que permitan comparación, se recomienda contar solamente como Días de Tormenta

aquellos en los cuales un trueno es oído y un relámpago es observado”

(International Meteorological Committee, Vienna, 1873)

NC - Francia

NC - USA

Nivel Ceráunico Región Occidental Cuba

NC - Minas Gerais, Brasil

NC ColombiaNC Colombia

QUIBDO

VENEZUELA

BRAZILECUADOR

PERU

PANAMA

PAC

IFIC

OC

EAN

EL BAGRE

BOGOTA D.C.

CHINU

MONTERIA

MEDELLIN

CALI

SAMANÁ

BARRANQUILLA

SABANALARGA

BUCARAMANGA

-78.0 -76.0 -74.0 -72.0 -70.0 -68.0

LONGITUDE

-4.0

-2.0

0.0

2.0

4.0

6.0

8.0

10.0

12.0

LATI

TUD

E

Variación regional

VientosVientosAlisiosAlisios

Julio Julio -- Agosto Agosto

Abril Abril -- MayoMayo

Octubre Octubre -- NovbreNovbre..

Enero Enero -- FebreroFebrero

Variación Local

NECHI

EL BAGRE

671997

199857

34.78 km30.87 km

452000

542001

521999

9.48 km

45.39 km

Rosa Ceráunica Bogotá

S

N

NW

W

SW SE

E

NE

10

20

30

Rosa CerRosa Cerááunica Medellunica MedellíínnN

NW

W

SW SE

E

NE

10

20

30

Rosa CerRosa Cerááunica Caliunica CaliN

NW

W

SW SE

E

NE

10

20

30

Variación temporal NC Francia

0

14

23

28

31

21

y = -2,5707x 2 + 10197x - 1E+07R 2 = 0,9778

0

5

10

15

20

25

30

35

1980 1981 1982 1983 1984 1985

Año

Dia

sTor

mnt

osos

Año

NC Polinomica

Variación temporal NC MG (Brasil)

84

8785

68 68

64

57

6466

55

63

59

72

64

67

56

63

54

69

y = 0,176x 2 - 698,12x + 692240R 2 = 0,6164

5055

6065

7075

8085

90

1970 1972 1974 1976 1978 1980 1982 1984 1986 1988 1990

Año

Dia

sTor

men

toso

s Año

NC Polinomica

Variación Temporal NC Bogotá

60

70

90

61

8087

81

7378

105

78

105

94

76

107

9399

78

92

7478

66

53

88

68

57 5562

81

64

2928

y = -0,1536x2 + 608,9x - 603482R2 = 0,5864

25

35

45

55

65

75

85

95

105

1970

1971

1972

1973

1974

1975

1976

1977

1978

1979

1980

1981

1982

1983

1984

1985

1986

1987

1988

1989

1990

1991

1992

1993

1994

1995

1996

1997

1998

1999

2000

2001

Año

Día

s Tor

men

toso

s Año

Nivel Ceráuneo TENDENCIA

Hora de presentación de rayos

Hora

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23

Día

s Tor

men

toso

s -A

ño

Bogotá

Cali

Medellín

Variación local: Magdalena Medio, Colombia (50N, 750O)

0

500

1000

1500

2000

2500

30001 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24

Horas

Núm

ero

de R

ayos

Hora presentaciHora presentacióón rayos La Habanan rayos La Habana

VariaciVariacióón espacial Cuba n espacial Cuba

2. Densidad de Descargas a Tierra - DDT

NNúúmero de rayos a Tierra por kilmero de rayos a Tierra por kilóómetro metro cuadrado cuadrado -- aaññoo

Determinado porDeterminado por::Mediciones directas Mediciones directas Ecuaciones empEcuaciones empííricasricas

DDT FranciaDDT Francia

DDT EspaDDT Españñaa

Zonas con mZonas con máás alta densidad de s alta densidad de rayos en Europarayos en Europa11

1.- Tirana Rinas, Albania 9.4

2 .- Piacenza, Italia 9.1

3 .- Nápoles, Italia 9.0

4 .- Venecia, Italia 8.8

5 .- Sibiu Rumania 8.5

6 .- Barcelona, España 8.1 7 .- Adana, Turquía 8.0

1 Christian, H. J., R. J. Blakeslee, and S. J. Goodman,The detection oflightning from geostationary orbit, J. Geophys. Res. 2004

10 zonas con m10 zonas con máás alta densidad s alta densidad (rayos/km(rayos/km22--aañño) en el mundoo) en el mundo11

1.1.-- KamembeKamembe Ruanda Ruanda 82,782,72.2.-- BoendeBoende R. Dem. del CongoR. Dem. del Congo 66,366,33.3.-- LusamboLusambo R. Dem. del Congo R. Dem. del Congo 52,152,14.4.-- Kananga Kananga R. Dem. del CongoR. Dem. del Congo 50,350,35.5.-- Kuala Kuala LumpurLumpur Malasia Malasia 48,348,36.6.-- Calabar Calabar Nigeria Nigeria 47,447,47.7.-- Franceville Franceville GabonGabon 47,147,18.8.-- Posadas Posadas Argentina(?)Argentina(?) 42,742,79.9.-- OcaOcañña a Colombia Colombia 39,939,910.10.-- ConcepciConcepcióón n Paraguay(?)Paraguay(?) 37,037,0

1 Christian, H. J., R. J. Blakeslee, and S. J. Goodman, The detectionof lightning from geostationary orbit, J. Geophys. Res. 2004

Zonas con mZonas con máás alta densidad de s alta densidad de rayos en rayos en SuramericaSuramerica

1.1.-- Posadas,Posadas, Argentina(?)Argentina(?) 42.742.7

2.2.-- OcaOcañña,a, ColombiaColombia 39.9 39.9

3.3.-- ConcepciConcepcióónn Paraguay(?)Paraguay(?) 37.0 37.0

4.4.-- Campo GrandeCampo Grande BrasilBrasil 32.9 32.9

5.5.-- Reconquista,Reconquista, Argentina(?)Argentina(?) 32.432.4

6.6.-- Porto Nacional,Porto Nacional, BrasilBrasil 31.6 31.6

7.7.-- Belem,Belem, BrasilBrasil 26.626.6

8.8.-- JuizJuiz de de ForaFora,, BrasilBrasil 25.8 25.8

9.9.-- MaipuresMaipures,, ColombiaColombia 24.624.6

10.10.-- Yurimaguas,Yurimaguas, PerPerúú 21.6 21.6

11.11.-- CarauariCarauari,, BrasilBrasil 19.619.6

Densidad rayos a tierra Densidad rayos a tierra -- ColombiaColombia

-78.00 -76.00 -74.00 -72.00 -70.00 -68.00-4.00

-2.00

0.00

2.00

4.00

6.00

8.00

10.00

12.00

02468101214161820222426283032

Densidad rayos a tierra Densidad rayos a tierra -- ColombiaColombia

0.0

5.0

10

15

20

25

30

35

40

45

-75.40 -75.20 -75.00 -74.80 -74.60 -74.40 -74.20

7.20

7.40

7.60

7.80

8.00

8.20

8.40

REMEDIOSEL BAGRE

NECHI

0.0

5.0

10

15

20

25

30

35

40

45

AnAnáálisis Observacionallisis Observacional

-76.00 -75.00 -74.00

5.00

6.00

7.00

8.00

9.00

10.00

BOGOTA D.C.

SAMANÁQUIBDO

MEDELLIN

PUERTO BERRIOREMEDIOS

EL BAGREBMANGA

NECHIMONTERIA

CHINU

MAGANGUE

SABANALARGA

-76.00 -75.00 -74.00

5.00

6.00

7.00

8.00

9.00

10.00

BOGOTA D.C.

SAMANÁQUIBDO

MEDELLIN

PUERTO BERRIOREMEDIOS

EL BAGREBMANGA

NECHIMONTERIA

CHINU

MAGANGUE

SABANALARGA LIS

RECMA

Volver

ALTO

MEDIO

BAJO

Ecuaciones de DDT en función de NC

EcuaciEcuacióón n PropuestaPropuesta

AutorAutor DDT, DDT, NC=57NC=57(( 1995)1995)

DDT, DDT, NC=68NC=68(1994)(1994)

DDT, DDT, NC=88NC=88(1993)(1993)

DDT medido DDT medido en Bogoten Bogotáá

-- 0.60.6 1.21.2 2.42.4

0.053*(NC)0.053*(NC)1.11.1

77Eriksson, AfricaEriksson, Africa 66 7.47.4 1010

0.04*(NC)0.04*(NC)1.251.25 Eriksson, IEEEEriksson, IEEE 6.36.3 7.87.8 10.810.8

0.15*(NC)0.15*(NC) Brown, USABrown, USA 8.68.6 10.210.2 13.213.2

0.1*(NC)0.1*(NC) AiyaAiya, India, IEC, India, IEC 5.75.7 6.86.8 8.88.8

0.14*(NC)0.14*(NC) AndersonAnderson 88 9.59.5 12.312.3

0.17*(NC)0.17*(NC) Horn, U.S.AHorn, U.S.A 9.79.7 11.611.6 1515

0.0017.NC0.0017.NC1.561.56 Torres, ColombiaTorres, Colombia 0.930.93 1.221.22 1.831.83

Correlación DDT y NC

DDT DDT = 0.024.= 0.024.NC NC 1.121.12 MMééxicoxico

DDT =0,030.NC DDT =0,030.NC 1,121,12 Brazil Brazil

DDT =0,0017.NCDDT =0,0017.NC1,56 1,56 ColombiaColombia

Proposal IEEE 1410IEC 62305-2““NOTENOTE-- If the map of Ng is not available, it may be estimated in If the map of Ng is not available, it may be estimated in several ways:several ways:The GFD The GFD for temperate regionsfor temperate regions may be estimated from the keraunic may be estimated from the keraunic level using equation:level using equation:

Ng = 0.04*TdNg = 0.04*Td1.25 1.25 (IEEE(IEEE))Ng = 0,1Td (IEC) Ng = 0,1Td (IEC)

In the case of In the case of tropical regionstropical regions, the GFD may be estimated from the , the GFD may be estimated from the keraunic level using the results found in mountainous regions ofkeraunic level using the results found in mountainous regions ofMexico, Brazil and Colombia as follows:Mexico, Brazil and Colombia as follows:

Ng = 0.024Ng = 0.024×× Td 1.12 MTd 1.12 MééxicoxicoNg =0,030.Td 1,12 Brazil Ng =0,030.Td 1,12 Brazil

Ng =0,0017.Td1,56 ColombiaNg =0,0017.Td1,56 Colombia

Where Where Td is the number of thunderstorm days per year (the keraunic Td is the number of thunderstorm days per year (the keraunic level)level)””

IEC 62305-2, TC81, Seúl 27.08.2004

3. Amplitud de la corriente de 3. Amplitud de la corriente de retorno del rayoretorno del rayo

La amplitud de la corriente de retorno La amplitud de la corriente de retorno de la descarga elde la descarga elééctrica atmosfctrica atmosféérica rica es frecuentemente referida como el es frecuentemente referida como el parparáámetro mmetro máás importante para s importante para aplicaciones en ingenieraplicaciones en ingenieríía.a.

Determinado porDeterminado por::Modelos matemModelos matemááticosticosMediciones directasMediciones directas

¿¿CCóómomo hanhan sidosido desarrolladosdesarrollados loslosmodelosmodelos existentesexistentes??

UsandoUsando observacionesobservaciones experimentalesexperimentales

HaciendoHaciendo hiphipóótesistesisComparandoComparando resultadosresultados teteóóricosricos y y experimentales

------

experimentales

ModeloModelo de de LLííneanea de de TransmisiTransmisióónn

TiempoTiempo

Cor

rient

eC

orrie

nte

CorrienteCorriente en la base del en la base del canalcanal

¿¿CCóómomo se se determinadetermina la la corrientecorrienteremotamenteremotamente??

Campo Campo elelééctricoctricomedidomedido

PosiciPosicióónn de la de la descargadescarga

ModeloModelo teteóóricorico o o empempííricorico

Ecuaciones y Modelos de Amplitud Ecuaciones y Modelos de Amplitud de la Corriente de Retorno del Rayode la Corriente de Retorno del Rayo

Modelo Modificado de Línea de Transmisión (MTL):

Ecuación de Rakov-Willet (R-W):

Ecuación de Rakov- Dulzon (R-D):

Modelo de Cooray:

Ic Dv

Ep v=2 2

0π ε

I D Ep v= − ⋅1 5 0 037. .

I e D EpD

v= − ⋅ ⋅− ⋅( . . ),27 0 26 5 0 07

I D Ep v= ⋅ ⋅0 053 0 928. ( ) ,

Formas de Onda Formas de Onda EEvv

Ondas Lejana y CercanaOndas Lejana y Cercana

Mediciones amplitud de corriente Mediciones amplitud de corriente en Colombiaen Colombia

Explodedlightning arrester( SiC)

5.76.5152°58'05"

5,2114:26:18.475

25/02/934

Broken insulatorstring

39.537.390°50'4,1413:56:33.081

25/02/933

Broken shieldwire

57.553.243°13,314:31:24.442

25/02/932

Broken shieldwire, burnedoptical fiber, electronicequipmentdamage in a hotel 2 km away.

5.636.4227°53'25"

8,5016:12:05.259

12/02/931

EffectIR(kA)ITLM (kA)

AngleDist.(Km)

TimeDate(d/m/y)#

ITLM : Current calculated with the Transmission Line ModelIR: Current calculated using the formula derivated by Rakov

EffectIR(kA)

ITLM (kA)

AngleDist.(Km)

TimeDate(d/m/y)#

Damagedelectronicequipment

15.515.3196°45'

163,513:21:05.129

04/11/938

"106.597.3335°159,423:47:49.354

04/11/927

"33.731.7333°175,603:05:49.980

25/10/926

Distance relaytripping

36.334333°176,822:59:35.711

01/10/925

Variación Regional corriente de rayo

0,0%

20,0%

40,0%

60,0%

80,0%

100,0%

1 10 100

Corriente Pico de la Descarga [kA]

Prob

abili

dad

CIGRE (1979) Cachimbo, BRAZIL (1996) Lee, MALAYSIA (1979)PAAS, COLOMBIA (1995) Anderson, RHODESIA (1954)

Valor pico de la corriente de retorno del rayo en Valor pico de la corriente de retorno del rayo en diferentes zonas del planeta (Adaptado de Lee et. al. diferentes zonas del planeta (Adaptado de Lee et. al. 1979)1979)

País Mediana (kA)Estados Unidos 23

Suiza 30Suecia 30Polonia 31Malasia 36Brasil1 43

Rodesia 42Colombia2 43

1 Monte Cachimbo, Minas Gerais, Brasil 20042 Valor estimado mediante mediciones de campo eléctrico a menos de 100 km. y aplicando el modelo MTL. Torres, H. “El Rayo, mitos, leyendas, ciencia y tecnología”, Editorial UNIBIBLOS, Bogotá, 2002.

Corriente pico de la primera Corriente pico de la primera descarga de retorno negativa descarga de retorno negativa

Zona Media δln

Templada 31.1 0.48

Tropical 45.3 0.39

5. Polaridad 5. Polaridad –– AnAnáálisis Espaciallisis EspacialPOLARIDADES PROMEDIO CIUDADES

68,8

89,9

76,9

60,070,5

15,829,5

40,026,3

23,110,1

73,784,2

31,2

0102030405060708090

100BO

GO

TA

SA

MA

NA

PTO

BE

RR

IO

EL

BA

GR

E

NEC

HI

MA

GA

NG

UE

BQ

UIL

LA

CIUDAD

PO

RC

EN

TAJE

[%]

POSITIVOS NEGATIVOS

Polaridad Polaridad –– AnAnáálisis Temporallisis TemporalPOLARIDAD MES A MES PROMEDIO NECHI 1997-2001

0

20

40

60

80

100

120EN

ERO

FEB

RE

RO

MA

RZO

ABR

IL

MA

YO

JUN

IO

JULI

O

AGO

STO

SE

PTI

EM

BR

E

OC

TUBR

E

NO

VIE

MB

RE

DIC

IEM

BR

E

PO

RC

EN

TAJE

[%]

POSITIVOS NEGATIVOS

Volver

6. Multiplicidad 6. Multiplicidad –– AnAnáálisis Espaciallisis EspacialMULTIPLICIDAD PROMEDIO AME 1997-2001

0102030405060708090

100

1 2 3 4 5 6NUMERO STROKE

PO

RC

EN

TAJE

[%]

POSITIVOS NEGATIVOS

MULTIPLICIDAD PROMEDIOPOSITIVOS 1,14NEGATIVOS 1,87TOTAL 1,64

…… por razones de confiabilidad, econompor razones de confiabilidad, economíía a y seguridad, es recomendable que la y seguridad, es recomendable que la

magnitud de los parmagnitud de los paráámetros del Rayo, metros del Rayo, estimados regionalmente en Zonas estimados regionalmente en Zonas

Templadas (Normas internacionales), no Templadas (Normas internacionales), no sean directamente aplicados a Zonas sean directamente aplicados a Zonas

Tropicales, sino los que se vienen Tropicales, sino los que se vienen

encontrando por investigaciones localesencontrando por investigaciones locales……

FormaciFormacióón de la Descargan de la Descarga1.1. Encendido de la descarga (Encendido de la descarga (PreliminaryPreliminary

breakdownbreakdown))2.2. LLííder escalonado (der escalonado (SteppedStepped leaderleader))3.3. Proceso de enlace (Proceso de enlace (AttachmentAttachment processprocess))4.4. Descarga de Retorno (Return stroke)Descarga de Retorno (Return stroke)5.5. Corriente continua (Corriente continua (ContinuingContinuing currentcurrent))6.6. Componentes M (M Componentes M (M componentscomponents))7.7. Cambios K (K Cambios K (K changeschanges))8.8. Descargas subsecuentes (Descargas subsecuentes (SubsequentSubsequent

strokesstrokes))9.9. LLííder dardo (der dardo (DartDart leaderleader))

Distribución de carga en la nube

+ + + + ++ + + + +

+++ + PP+ +++ ++++ ++

- -

_ _ _ _ _ _ __ _ _ _ _ _ _

_ _ _ _ N N _ _ __ _ __ _ _ _ _ _

__ + + +

+ PP

12

10

8

6

4

2

30

15

- 7

- 18

- 33

- 45

- 55

0

Tem

pera

tura

del

air

e al

rede

dor,

°C

Alt

ura

sobr

e el

ter

reno

, Km

.

Que es un rayoQue es un rayo

+ + + + ++ + + + +

+++ + PP+ +++ ++++ ++

- -

_ _ _ _ _ _ __ _ _ _ _ _ _

_ _ _ _ N N _ _ __ _ __ _ _ _ _ _

_ + + +

+ PP

+ + + + ++ + + + +

+++ + PP+ +++ ++++ ++

- -

_ _ _ _ _ _ __ _ _ _ _ _ _

_ _ _ _ N N _ _ __ _ __ _ _ _ _ _

_ + + +

+ PP

+ + + + +

R

Tipos de rayosTipos de rayos

_

_

L

R

L_

L+

_

+++ ++ + + +

_ __

__

_

L+

L+

L__ _ _ _ _ _ _ _

++ +

+ ++

++

R

R R

Rayos descendentesRayos descendentes

Rayos ascendentesRayos ascendentes

Nube

h2

h1

Tierra

Punto de acople

Canal con efecto corona

Canal sin efecto corona

_

Onda rayo Ilyapa

Rayo IlyapaRayo Ilyapa

23.12.02 / S2930

Proceso de las descargas disruptivas Proceso de las descargas disruptivas para proppara propóósitos de proteccisitos de proteccióónn

1.1. Encendido de la descarga Encendido de la descarga ((PreliminaryPreliminary breakdownbreakdown))

2.2. LLííder escalonado (der escalonado (SteppedStepped leaderleader))3.3. Proceso de enlace (Proceso de enlace (AttachmentAttachment

processprocess))……

Canal descendente negativo

Nube de carga negativa

Ramificaciones ascendentes positivas

unipolar / unidireccional bipolar / unipolar / unidireccional bipolar / bidireccionalbidireccional

1.1. Encendido de la Descarga Encendido de la Descarga ((PreliminaryPreliminary breakdownbreakdown))

El inicio de la DEAT negativa se debe a la formaciEl inicio de la DEAT negativa se debe a la formacióón de n de penachos (penachos (streamersstreamers) dentro de la nube (en la regi) dentro de la nube (en la regióón n inferior de carga negativa), a causa de los altos campos inferior de carga negativa), a causa de los altos campos elelééctricos allctricos allíí presentes (de 0.1 a 1 MV/m).presentes (de 0.1 a 1 MV/m).

La propagaciLa propagacióón de estos penachos lleva a la recombinacin de estos penachos lleva a la recombinacióón n de cargas en la base de la nube y a la formacide cargas en la base de la nube y a la formacióón de un canal n de un canal elelééctrico a partir del cual comienza a desarrollarse el lctrico a partir del cual comienza a desarrollarse el lííder der del rayo.del rayo.

El concepto unipolar fue propuesto inicialmente porEl concepto unipolar fue propuesto inicialmente porSchonlandSchonland (1938)(1938) y asume que el rayo es iniciado por el y asume que el rayo es iniciado por el desarrollo de penachos unipolares.desarrollo de penachos unipolares.

2. L2. Lííder escalonado der escalonado ((SteppedSteppedleaderleader))

Este surge de la regiEste surge de la regióón de encendido n de encendido de la descarga generando de la descarga generando variaciones considerables del campo variaciones considerables del campo elelééctrico y pulsos VHF de corta ctrico y pulsos VHF de corta duraciduracióón.n.

Esta compuesto por un nEsta compuesto por un núúcleo de cleo de plasma altamente conductivo, cuyo plasma altamente conductivo, cuyo radio esta entre 0.01 y 0.5 m.radio esta entre 0.01 y 0.5 m.

La propagaciLa propagacióón del ln del lííder descendente der descendente negativo es posible debido al intenso negativo es posible debido al intenso campo elcampo elééctrico alrededor de su ctrico alrededor de su punta (mayor a 2 MV/m).punta (mayor a 2 MV/m).

3. Proceso de enlace 3. Proceso de enlace ((AttachmentAttachment processprocess))

A medida que el líder escalonado se acerca a tierra el campo eléctrico en objetos o estructuras en ella se incrementa, especialmente sobre puntas, esquinas y protuberancias. En este proceso se dan 3 etapas:

a.Inicio y propagación de penachos.

b.Transición de penachos a líder y su propagación.

c.Conexión entre líderes descendente y ascendente

a. Inicio y propagación de penachos:

Debido al aumento del campo eléctrico en los objetos en tierra, ocurre ionización del aire en las regiones donde éste es más intenso generando una avalancha de cargas.

Para estimar el campo eléctrico crítico (E0Kv/cm) de inicio de penachos el estudio más reconocido es el llevado a cabo por Peek, que para cilindros concéntricos, de radio interior “r” es:

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛δ

+δ=r.

308,01..31E0

b. Transicib. Transicióón de penachos a n de penachos a llííder y su propagacider y su propagacióónn

Gran parte de los penachos Gran parte de los penachos tienen un canal ratienen un canal raííz en comz en comúún n llamado tronco (llamado tronco (stemstem) y la ) y la suma de las corrientes de suma de las corrientes de todos los penachos individuales todos los penachos individuales fluyendo a travfluyendo a travéés del tronco s del tronco puede elevar su temperatura puede elevar su temperatura llevlleváándolo a un aumento de la ndolo a un aumento de la ionizaciionizacióón y de la produccin y de la produccióón n de electrones. Este proceso de electrones. Este proceso transforma el tronco en un transforma el tronco en un canal caliente de mayor canal caliente de mayor energenergíía y conductividad a y conductividad llamado lllamado lííder.

------

------------

++++

++++ ++

----

----++ ++

++ ++++

++----

++++

++----

++++----

++++

----++

++

++++

++++

++ ++++

++++

++ ------

--------

----++

++

----++

++----

++++

++-- ++-- ++--++-- ++-- ++--

++-- ++-- ++--++-- ++-- ++--

++-- ++-- ++--++-- ++-- ++--

++-- ++-- ++--++-- ++-- ++--

++ ++ ++

der.

b. Transicib. Transicióón de n de penachos a lpenachos a lííder y su der y su propagacipropagacióónn

posterior a la ionización se produce un avance de las descargas formando un canal ionizado, lo que implica, velocidades de avance.

negativa descendenteV cm/µs

H (m)positiva ascendente

Velocidad media en los canales en función de la altura sobre el terreno (H) (nº de observaciones) (CIGRE)

b. Transicib. Transicióón de penachos a ln de penachos a lííder y su propagacider y su propagacióónncrecimiento de un canal ionizadocrecimiento de un canal ionizado

Lalande P. (1997):

Además de las condiciones de formación del líder +, este debe ser capaz de propagarse a grandes distancias, con campo ambiente necesario para que:

se forme corona;

se forme el líder;

el líder se propague de manera estable

b. Transicib. Transicióón de penachos a ln de penachos a lííder y su propagacider y su propagacióónncrecimiento de un canal ionizadocrecimiento de un canal ionizado

LalandeLalande propuso el concepto de campo de propuso el concepto de campo de estabilizaciestabilizacióón, el cual es el campo eln, el cual es el campo elééctrico del ctrico del ambiente necesario para producir un lambiente necesario para producir un lííder capaz de der capaz de propagarse de manera estable:propagarse de manera estable:

EoEo < < EEstab_Lalandestab_Lalande la descarga avanza de manera la descarga avanza de manera inestable (avanza algunos pasos inestable (avanza algunos pasos -- no progresa).no progresa).

EoEo > > EEstab_Lalandestab_Lalande la descarga avanza de manera la descarga avanza de manera estable

12

101

240_ +

+=

hE Lalandestab

estable

c. Conexión entre líderes descendente y ascendente

La conexión exitosa entre el líder descendente y el ascendente depende de su distribución de carga, dirección y velocidad. Sin embargo, cuando los penachos que emanan de las puntas de los líderes logran contactarse mutuamente, se completa el último paso de la descarga, más conocido como el salto final

a b c

En la actividad de protecciEn la actividad de proteccióón de las estructuras n de las estructuras contra el rayo, las normas toman en consideracicontra el rayo, las normas toman en consideracióón n solamente la tercera etapa (c) mediante los solamente la tercera etapa (c) mediante los conceptos:conceptos:

distancia de cebado, radio de atraccidistancia de cebado, radio de atraccióónn

recomendando el uso del modelo recomendando el uso del modelo electrogeomelectrogeoméétricotrico(esfera rodante) como herramienta para posicionar (esfera rodante) como herramienta para posicionar los captadores en las estructuras. los captadores en las estructuras.

••es un modelo incompleto y objeto de trabajo de es un modelo incompleto y objeto de trabajo de numerosos investigadores;numerosos investigadores;••tiene la cualidad de la simplicidad de su manejo,tiene la cualidad de la simplicidad de su manejo,••las otras dos etapas aunque conocidas, no estlas otras dos etapas aunque conocidas, no estáán n aaúún plasmadas en normas de aplicacin plasmadas en normas de aplicacióón.n.

c. salto en el intervalo y transición a una descarga autosostenida

Distancia de cebadoDistancia de cebado

BergerBerger (1975), deduce, (1975), deduce, experimentalmente, la relaciexperimentalmente, la relacióón n entre la carga total (Q) del entre la carga total (Q) del llííder negativo y la corriente de der negativo y la corriente de la primera descarga de retorno la primera descarga de retorno (I)(I)

I (kA)=15Q(C)I (kA)=15Q(C)

CIGRE CIGRE rrscsc (m)=10.I(m)=10.I0,650,65 (kA)

+++ ++ +

--

-

-

-

-

- - -- --

-

-- -d

d=distancia de cebado El impacto se produceen la superficie que antes toque la esfera con radio la distancia de cebado

+ + +++

(kA)

Modelo Modelo electrogeomelectrogeoméétricotrico; relaciona la carga del l; relaciona la carga del lííder der ––y la corriente pico de la primera descarga de retornoy la corriente pico de la primera descarga de retorno

Radios en el proceso de captación

( )bsc iAr max.=Distancia de Impacto a Distancia de Impacto a

TierraTierraDistancia de Impacto a Distancia de Impacto a

conductor de altura hconductor de altura h

AA bb AA bb

YoungYoung et al et al (1963)(1963) 2727 0.320.32 1200/(4621200/(462--h) h)

A > 27A > 27 0.320.32

ArmstrongArmstrong(1964)(1964) 66 0.80.8 6.76.7 0.80.8

BrownBrown(1969)(1969) 6.46.4 0.750.75 7.17.1 0.750.75

LoveLove (1973)(1973) 1010 0.650.65 1010 0.650.65

AndersonAnderson(1982)(1982) 6.4, 8 o 106.4, 8 o 10 0.650.65 1010 0.650.65

IEEE (1985)IEEE (1985) 5.12, 6.4 o 85.12, 6.4 o 8 0.650.65 88 0.650.65

ErikssonEriksson(1987)(1987) nana nana 0.67h0.67h0.60.6 0.740.74

RizkRizk (1997)(1997) nana nana 1.57h1.57h0.450.45 0.690.69

AutorAutor

Distancia de Impacto rsc IEC 62305

( ) 65.0max.10 irsc =

Modelo Modelo BiBi--liderlider ((PhDPhD PAASPAAS--UN)UN)

Canal tortuoso del lCanal tortuoso del lííderder

Canal tortuoso y ramificadoCanal tortuoso y ramificado

Distancia de impacto teniendo en cuenta Distancia de impacto teniendo en cuenta tortuosidad del canal y ramificaciones NTC4552tortuosidad del canal y ramificaciones NTC4552

rsc = 4.I0.8

UbicaciUbicacióón de impactos observados en n de impactos observados en edificaciones de Malasiaedificaciones de Malasia

A B

CD E

F

GH

ABC

D

E

FG

HI

Porcentaje de impacto directo en Porcentaje de impacto directo en estructuras estructuras

Localización del impacto Porcentaje de ocurrencia [%]

Puntas y esquinas > 80

Bordes horizontaleshorizontales < 10

Bordes verticales < 5

Superficies planas < 1

Probabilidad de impactos directos con Probabilidad de impactos directos con canal tortuoso sin y con ramascanal tortuoso sin y con ramas

Probabilidad estimada de impacto directo [%] sin y con ramas

Parámetros de corriente de zona tropical

Parámetros de corriente

de zona templada

Torres Faber

Edificios bancarios

Torres Faber

Edificios bancarios

Puntas y esquinas 83 / 78 97 / 91 78 / 71 91 / 84

Bordes horizontales 15 / 19 2.8 / 8.4 19.7 / 26 8.8 / 15

Techo plano 1.6 / 2.8 0.25 / 0.3 2.6 / 3.4 0.4 / 0.5

Localización del impacto

¿¿Como se miden los rayosComo se miden los rayos??

Procedimientos de Medición y Localización

Indirecta: Sensores de Campo Indirecta: Sensores de Campo ElectromagnElectromagnéético a distanciatico a distancia

Directa: Directa: Torres instrumentadasinstrumentadas

Sistemas ComercialesSistemas Comerciales de de LocalizaciLocalizacióón Indirecta de Rayosn Indirecta de Rayos

SISTEMA LLPTécnica DirectionFinding (DF)Configuración mínima: 2 estacionesAlcance de detección por estación: 300kmInformación en tiempo real

SISTEMA LPATSTécnica del Tiempo de Arrivo (TOA)Configuracionmínima: 3 estacionesAlcance de detección por estación: 1000 kmInformación en tiempo real

IMPACT (GAI) IMPACT (GAI) -- VAISALAVAISALA

Medición directa en el mundo

Estación Experimental Ilyapa

-78.00 -76.00 -74.00 -72.00 -70.00 -68.00

LONGITUD

-4.00

-2.00

0.00

2.00

4.00

6.00

8.00

10.00

12.00

LATI

TUD

SANTAFE DE BOGOTA

CHINU

MONTERIA

CERROMATOSO

MEDELLIN SAN CARLOS

CALI

LA PALMA

BARRANQUILLA

SABANALARGA

BUCARAMANGA

0

1

2

3

4

5

6

7

Esquema de la Estación Ilyapa

CalibraciCalibracióónn de de loslos equiposequipos

Estación Experimental Ilyapa

Medición Satelital LIS

Tiempo de ocurrencia con Tiempo de ocurrencia con 2 ms de resoluci2 ms de resolucióón.n.Eficiencia en la detecciEficiencia en la deteccióón n ≈≈ 90%90%ÁÁrea de 580x580 rea de 580x580 kmkmArreglo de 128 x 128 Arreglo de 128 x 128 CCD (CCD (ChargeCharge CoupledCoupledDeviceDevice))16 m en 2 ms16 m en 2 msCampo de vista de 80 x Campo de vista de 80 x 8080

OTD - LIS

“Normas rayos”

Normalización

134 pa134 paííses firmantes: Cses firmantes: Cóódigo de Buena digo de Buena Conducta para elaboraciConducta para elaboracióón, adopcin, adopcióón n

y aplicaciy aplicacióón de Normas Tn de Normas Téécnicas:cnicas:

Herramienta Herramienta voluntariavoluntaria que debe que debe facilitar la comprensifacilitar la comprensióón y el n y el

intercambio tecnolintercambio tecnolóógico de las partes gico de las partes involucradasinvolucradas

PaPaííss Documento FuenteDocumento Fuente ParParáámetrometro

AustraliaAustralia AS 1768AS 1768--19911991 NCNC

Gran BretaGran Bretaññaa BS 6651BS 6651--1992 1992 –– IEC 62305IEC 62305 DDTDDT

CanadCanadáá ANSI / NFPA 780ANSI / NFPA 780--19921992 NCNC

ColombiaColombia NTCNTC--4552 4552 –– 2004 2004 –– IEC 62305IEC 62305 NC y DDTNC y DDT

FinlandiaFinlandia SFSSFS--handbookhandbook 3333 ALSALS

FranciaFrancia UTE C15UTE C15--531531-- 1986 1986 –– IEC 62305IEC 62305 NCDNCD

AlemaniaAlemania DIN 57185/VDE 0185 DIN 57185/VDE 0185 –– IEC 62305IEC 62305 NCNC

ItaliaItalia CEI 81CEI 81--1 1 –– 1990 1990 –– IEC 62305IEC 62305 DDTDDT

KenyaKenya KS 04KS 04--503; Parte 1:1990503; Parte 1:1990 NCNC

HolandaHolanda NEN 1014NEN 1014--19911991 NCNC

Nueva ZelandaNueva Zelanda NZS/AS 1768NZS/AS 1768--19911991 NCNC

PoloniaPolonia PNPN--55/E55/E--0500305003 NCNC

SingaporeSingapore CP33CP33--19851985 NCNC

Sur Sur ÁÁfricafrica SABS 03SABS 03--19851985 DDTDDT

SueciaSuecia SS487 01 10SS487 01 10 NCNC

USAUSA IEEE C62.41 IEEE C62.41 –– 2002 2002 -- ANSI / NFPA 780 ANSI / NFPA 780 ––19951995

NCNC

La NTC 4552-2004Aportes novedosos respecto a otras normas Aportes novedosos respecto a otras normas internacionales, fruto de la investigaciinternacionales, fruto de la investigacióón y la n y la

aplicaciaplicacióón a casos reales:n a casos reales:

Tratamiento estadTratamiento estadíístico de los parstico de los paráámetros del metros del rayo para latitud tropical. rayo para latitud tropical.

Planteamiento espacio Planteamiento espacio -- temporal del temporal del fenfenóómeno del rayo. meno del rayo.

AplicaciAplicacióón de desarrollos investigativos n de desarrollos investigativos colombianos (estudios, equipos, datos) a la colombianos (estudios, equipos, datos) a la promocipromocióón de la Normalizacin de la Normalizacióón Tn Téécnica en cnica en

Colombia.Colombia.

Marco Normativo RayosGUIA BP de ProtecciGUIA BP de Proteccióón contra Rayosn contra RayosNTC 4552NTC 4552--2004 2004 ““Norma TNorma Téécnica Colombiana de Proteccicnica Colombiana de Proteccióón n contra Rayoscontra Rayos””NFPA 780 NFPA 780 ““Lightning Protection SystemsLightning Protection Systems””IEEE 80 IEEE 80 ““Guide for Safety in AC substation GroundingGuide for Safety in AC substation Grounding””IEC 61024 IEC 61024 ““Protection of Structures Against LightningProtection of Structures Against Lightning””IEC 61312 IEC 61312 ““Protection Against Lightning Electromagnetic Protection Against Lightning Electromagnetic ImpulseImpulse””

IEC 61312IEC 61312--1 1 ““General PrinciplesGeneral Principles””IEC 61312IEC 61312--2 2 ““Shielding of Structures, Bonding Shielding of Structures, Bonding inside structures and Earthinginside structures and Earthing””IEC 61312IEC 61312--3 3 ““Requirements of Surge Protective Requirements of Surge Protective DevicesDevices””IEC 61312IEC 61312--4 4 ““Protection of Equipment in existing Protection of Equipment in existing StructuresStructures””

Marco Normativo RayosIEC 61643IEC 61643 ““Surge Protective Devices connected to LowSurge Protective Devices connected to Low--Voltage Power Distribution SystemsVoltage Power Distribution Systems””

IEC 61643IEC 61643--1 1 ““Performance Requirements and Testing MethodsPerformance Requirements and Testing Methods””IEC 61643IEC 61643--21 21 ““Surge Protective Devices connected to Surge Protective Devices connected to Telecommunication and Signalling Networks Telecommunication and Signalling Networks –– Performance and Performance and Testing MethodsTesting Methods””

API Recommended Practice 505. API Recommended Practice 505. ““Recommended Practice Recommended Practice for Classification of Locations for Electrical Installations at for Classification of Locations for Electrical Installations at Petroleum Facilities Classified as Class I, Zone 0, Zone 1, and Petroleum Facilities Classified as Class I, Zone 0, Zone 1, and Zone 2Zone 2””. 1997. 1997API Recommended Practice 540. API Recommended Practice 540. ““Electrical Installations in Electrical Installations in Petroleum Processing PlantsPetroleum Processing Plants““. 1999.. 1999.API Recommended Practice 2003. API Recommended Practice 2003. ““Protection Against Protection Against Ignitions Arising Out of Static, Lightning and Stray CurrentsIgnitions Arising Out of Static, Lightning and Stray Currents””. . 1998.1998.NFPA 497.NFPA 497. ““Recommended Practice for the Classification of Recommended Practice for the Classification of Flammable Liquids, Gases, or Vapors and of Hazardous Flammable Liquids, Gases, or Vapors and of Hazardous (Classified) Locations for Electrical Installations in Chemical (Classified) Locations for Electrical Installations in Chemical Process AreasProcess Areas””. . 1997.1997.

IEC 62305-1: Principios Generales

ParParáámetros del rayo (* resultados de investigacimetros del rayo (* resultados de investigacióón en n en zona tropical)zona tropical)DaDañños debido a rayosos debido a rayos (estructuras, servicios, tipos de (estructuras, servicios, tipos de ppéérdidas)rdidas)Necesidad y conveniencia econNecesidad y conveniencia econóómica de la proteccimica de la proteccióón n contra rayos.contra rayos.Medidas de protecciMedidas de proteccióón (para reducir heridas, dan (para reducir heridas, dañños os ffíísicos, fallas de sistemas elsicos, fallas de sistemas elééctricos y electrctricos y electróónicos)nicos)Criterios BCriterios Báásicos para proteccisicos para proteccióón de estructuras y n de estructuras y servicios.servicios.VariaciVariacióón temporal de los parn temporal de los paráámetros del rayo para metros del rayo para proppropóósitos de ansitos de anáálisis.lisis.SimulaciSimulacióón de la corriente de rayo para propn de la corriente de rayo para propóósitos de sitos de prueba.prueba.

IEC 62305-2: Manejo del riesgoTTéérminos (Darminos (Dañños, Fuentes, tipos de daos, Fuentes, tipos de dañños, os, tipo de ptipo de péérdidas).rdidas).Componentes del riesgo (para una estructura Componentes del riesgo (para una estructura debido a impactos cercanos a la estructura, a debido a impactos cercanos a la estructura, a un servicio conectado a la estructura, etc.)un servicio conectado a la estructura, etc.)Manejo del riesgoManejo del riesgoEvaluaciEvaluacióón de los componentes de riesgo para n de los componentes de riesgo para estructurasestructurasEvaluaciEvaluacióón del promedio anual de rayos a una n del promedio anual de rayos a una estructura (ND)estructura (ND)

IEC 62305-3: Sistema de proteccióncontra rayos

Externa (* resultados de tesis Externa (* resultados de tesis doctorales en el grupo PAASdoctorales en el grupo PAAS--UN)UN)

InternaInternaGuGuíía de proteccia de proteccióón (* aporte de la n (* aporte de la

NTC 4552)NTC 4552)Sensor (* aporte de la NTC 4552)Sensor (* aporte de la NTC 4552)Mantenimiento (* aporte de la NTC Mantenimiento (* aporte de la NTC

4552).4552).

62305-4: Sistemas Eléctricos y electrónicos dentro de las estructuras

DiseDiseñño e instalacio e instalacióón n Tierras y Tierras y equipotencializacionequipotencializacionApantallamiento Apantallamiento CoordinaciCoordinacióón de dispositivos n de dispositivos de proteccide proteccióón contra n contra sobretensiones DPSsobretensiones DPS

62305-5: Servicios

Medidas de protecciMedidas de proteccióón para ln para lííneas de neas de comunicacicomunicacióón (* Nuevo tema del comitn (* Nuevo tema del comitéé))Medidas de protecciMedidas de proteccióón de ln de lííneas de neas de transmisitransmisióón (* Nuevo tema del comitn (* Nuevo tema del comitéépero con resultados de investigacipero con resultados de investigacióón en n en Colombia que deben ser incorporados: Colombia que deben ser incorporados: ISA, EEPPM, CODENSA, PAASISA, EEPPM, CODENSA, PAAS--UN)UN)Medidas de protecciMedidas de proteccióón en ductos (* Nuevo n en ductos (* Nuevo tema del comittema del comitéé pero con resultados de pero con resultados de investigaciinvestigacióón en Colombia que deben ser n en Colombia que deben ser incorporados: ECOPETROL, BP, PAASincorporados: ECOPETROL, BP, PAAS--UN).UN).

Metodología en protección contra rayos

1.1. RevisiRevisióón y correcciones de n y correcciones de instalaciones elinstalaciones elééctricas, voz, datos e ctricas, voz, datos e imimáágenes.genes.

2.2. EvaluaciEvaluacióón de Riesgon de Riesgo3.3. SelecciSeleccióón de un SIPRA adecuadon de un SIPRA adecuado

La evaluaciLa evaluacióón del riesgo es el elemento n del riesgo es el elemento mas importante en el procedimiento mas importante en el procedimiento

para disepara diseññar un sistema de protecciar un sistema de proteccióón n contra rayos y especialmente en el contra rayos y especialmente en el

procedimiento de selecciprocedimiento de seleccióón del nivel de n del nivel de protecciproteccióón. n.

Riesgo: Metodología IEC 62305-2

Punto de Impacto Fuente de Daño

Tipo de Daño

Tipo de Pérdida

Estructura

S1

D1 D2 D3

L1 L1, L2, L3, L4

L1, L4

Cerca de la estructura

S2 (D2)**, D3*** L1*, L2, L4

Acometida de servicio entrando a la estructura

S3 D1, D2, D3 L1, L2, L3, L4

Cerca de la acometida de servicio

S4 D3 L1*, L2, L4

Nota: Sin paréntesis: daños inmediatos y pérdidas. En paréntesis: Posibles daños críticos y pérdidas * En el caso de hospitales y de estructuras con riesgo de explosión ** En el caso de estructuras con riesgo de explosión *** En el caso de estructuras con sistemas electrónicos

Conceptos y DefinicionesConceptos y Definiciones

Fuente de DaFuente de DaññooS1: Rayos a la estructuraS1: Rayos a la estructuraS2: Rayos cerca a la estructuraS2: Rayos cerca a la estructuraS3: Rayos a las acometidas de serviciosS3: Rayos a las acometidas de serviciosS4: Rayos cerca a las acometidas de serviciosS4: Rayos cerca a las acometidas de servicios

Tipos de DaTipos de DaññooD1: Lesiones a seres vivosD1: Lesiones a seres vivosD2: DaD2: Dañño fo fíísico a la estructura o acometida de serviciossico a la estructura o acometida de serviciosD3: Falla de sistemas elD3: Falla de sistemas elééctricos o electrctricos o electróónicosnicos

Tipos de PTipos de PéérdidasrdidasL1: PL1: Péérdida de vidas humanasrdida de vidas humanasL2: PL2: Péérdida de servicio prdida de servicio púúblicoblicoL3: PL3: Péérdida de patrimonio culturalrdida de patrimonio culturalL4: PL4: Péérdida de valor rdida de valor econeconóómicomico

Riesgo Riesgo Evaluado para la Estructura y sus Evaluado para la Estructura y sus ComponentesComponentes

R1: Riesgo de pR1: Riesgo de péérdida de vidas humanasrdida de vidas humanasR2: R2: Riesgo de pRiesgo de péérdida de servicio prdida de servicio púúblicoblicoR3: Riesgo de pR3: Riesgo de péérdida de patrimonio culturalrdida de patrimonio culturalR4: R4: Riesgo de pRiesgo de péérdida de rdida de valor valor econeconóómicomico

Procedimiento para evaluar el Procedimiento para evaluar el riesgoriesgo

Identificar el objeto a proteger y sus caracterIdentificar el objeto a proteger y sus caracteríísticassticasIdentificar todos los tipos de pIdentificar todos los tipos de péérdidas en los objetos y rdidas en los objetos y riesgos pertinentes correspondientes R (riesgos pertinentes correspondientes R (R1 R1 aa R4)R4)Evaluar el riesgo Evaluar el riesgo R R para cada uno de los tipos de para cada uno de los tipos de ppéérdida.rdida.Evaluar la necesidad de protecciEvaluar la necesidad de proteccióón, por comparacin, por comparacióón n de riesgo de riesgo R1, R2 R1, R2 y y R3 R3 para una estructura (para una estructura (R'2 R'2 para para el servicio) con un riesgo tolerable el servicio) con un riesgo tolerable RT.RT.Evaluar la conveniencia econEvaluar la conveniencia econóómica de proteccimica de proteccióón, por n, por comparacicomparacióón de los costos de las pn de los costos de las péérdidas totales con rdidas totales con y sin medidas de protecciy sin medidas de proteccióón. En este caso, la n. En este caso, la evaluacievaluacióón de la componente de riesgo R4 para una n de la componente de riesgo R4 para una estructura (estructura (RR´44 para un servicipara un servicióó) es realizada con el ) es realizada con el fin de evaluar tales costos. fin de evaluar tales costos.

SelecciSeleccióón de Medidas de Proteccin de Medidas de Proteccióónn

Esta selecciEsta seleccióón debe ser hecha por el disen debe ser hecha por el diseññador de ador de acuerdo con el tipo de pacuerdo con el tipo de péérdida que superrdida que superóó el valor el valor de riesgo tolerable, en busca de reducir sus de riesgo tolerable, en busca de reducir sus componentes respectivas. componentes respectivas.

Para esto se deben identificar los parPara esto se deben identificar los paráámetros que metros que pueden ser modificados y que permitan la pueden ser modificados y que permitan la reduccireduccióón del riesgo teniendo en cuenta aspectos n del riesgo teniendo en cuenta aspectos ttéécnicocnico--econeconóómicosmicos

Medidas de protecciMedidas de proteccióónn

Las medidas de protecciLas medidas de proteccióón sern seráán consideradas n consideradas efectivas solamente si cumplen con los efectivas solamente si cumplen con los requerimientos de las siguientes normas: requerimientos de las siguientes normas:

NTC 4552NTC 4552--3. Para protecci3. Para proteccióón y reduccin y reduccióón de n de lesiones en seres vivos y dalesiones en seres vivos y dañños fos fíísicos en la sicos en la estructura.estructura.

IEC 62305IEC 62305--4. Para protecci4. Para proteccióón y reduccin y reduccióón de n de fallas de sistemas internosfallas de sistemas internos

IEC 62305IEC 62305--5. Para protecci5. Para proteccióón de servicios.n de servicios.

3. Selecci3. Seleccióón de un SIPRA adecuadon de un SIPRA adecuado

•No existen sistemas de protección contra rayos 100% eficaces•“Tengo sistema de protección, luego duermo feliz”•En la ciencia no hay verdades absolutas sino certezas temporales: Quedan aun por responder muchas preguntas científicas.•Los “vivos” aprovechan las lagunas del conocimiento.

ParParáámetros mmetros mááximos del rayoximos del rayo

Los efectos mecLos efectos mecáánicos del rayo se nicos del rayo se relacionan con el valor pico de la corriente relacionan con el valor pico de la corriente (I) y la energ(I) y la energíía especa especíífica (W/R). Los fica (W/R). Los efectos tefectos téérmicos se relacionan con la rmicos se relacionan con la energenergíía especa especíífica (W/R) cuando se fica (W/R) cuando se presenta acople resistivo y con la carga (Q) presenta acople resistivo y con la carga (Q) cuando se presenta arco en la instalacicuando se presenta arco en la instalacióón. n. Sobretensiones y arcos peligrosos causados Sobretensiones y arcos peligrosos causados por acoples inductivos estpor acoples inductivos estáán relacionados n relacionados con el valor medio de la pendiente de la con el valor medio de la pendiente de la corriente del rayo (di/corriente del rayo (di/dtdt).).

ProbabilidadesProbabilidades parapara loslos llíímitesmites de de loslos parparáámetrosmetros del del rayorayo

NPRNPR

Probabilidad que los Probabilidad que los parparáámetros seanmetros sean

II IIII IIIIII IVIV

Menores que el mMenores que el mááximo ximo definido en la Tabla 1definido en la Tabla 1 0,990,99 0,980,98 0,970,97 0,970,97

Mayores que el mMayores que el míínimo nimo definido en la Tabla 2definido en la Tabla 2 0,990,99 0,970,97 0,910,91 0,840,84

ParParáámetros mmetros mááximos del rayo ximos del rayo ––IEC 62305IEC 62305--33

Primera descarga cortaPrimera descarga corta NPRNPR

ParParáámetrometro SSíímbolombolo UnidadUnidad II IIII IIIIII IVIV

Corriente picoCorriente pico II KAKA 200200 150150 100100

Carga cortaCarga corta QQcortacorta CC 100100 7575 5050

EnergEnergíía especa especííficafica W/RW/R kJkJ//ΩΩ 1000010000 56255625 25002500

ParParáámetros de metros de tiempotiempo

TT11/T/T22 µµss//µµss 10/35010/350

Tabla 1

ParParáámetros mmetros míínimos del rayo nimos del rayo –– IEC IEC 6230562305--33

Criterio de interceptaciCriterio de interceptacióónn NPRNPR

SSíímbolombolo UnidadUnidad II IIII IIIIII IVIV

Corriente pico Corriente pico mmíínimanima

II kAkA 33 55 1010 1616

Radio esfera rodanteRadio esfera rodante RR mm 2020 3030 4545 6060

Tabla 2


Se pueden asumir los siguientes Se pueden asumir los siguientes valores con probabilidad menor del valores con probabilidad menor del 10%, as10%, asíí::

II = 200 kA= 200 kAW/RW/R = 10MJ/= 10MJ/ΩΩdidi//dtdt = 20kA/= 20kA/µµss


TT11 = I/(di/= I/(di/dtdt) = 10 ) = 10 µµss

TT22 = 350 = 350 µµss

22 **

7,01*

21 TIRW =

Sistema Integral de ProtecciSistema Integral de Proteccióón n contra rayos SIPRAcontra rayos SIPRA

Sistema de Protección Externa

Composición del Sistema Sistema de Captación Aérea

Bajantes

Puesta a Tierra

MMéétodo de la Esfera Rodantetodo de la Esfera Rodante

La esfera debe estar soportada por el sistema de La esfera debe estar soportada por el sistema de captacicaptacióón an aééreoreo

Nivel de Protección

Radio de la Esfera[m]

Corriente mínima de Protección [kA]

Nivel I 20 3

Nivel II 30 5

Nivel III 45 10

Nivel IV 60 16

NPRProbabilidad que los parámetros sean

I II III IV

Mayores que el mínimo definido en la Tabla 2

0,99 0,97 0,91 0,84

Puestas a TierraPuestas a Tierra

El sistema de puesta a tierra es usado para El sistema de puesta a tierra es usado para dispersar la corriente de rayo que viene por dispersar la corriente de rayo que viene por las bajantes reduciendo al mismo tiempo el las bajantes reduciendo al mismo tiempo el peligro de tener tensiones de paso y de peligro de tener tensiones de paso y de contacto peligrosas. contacto peligrosas.

Dispositivos no convencionales Dispositivos no convencionales de proteccide proteccióón contra rayosn contra rayos

Han creado una gran controversia dentro Han creado una gran controversia dentro de la comunidad acadde la comunidad acadéémica internacional mica internacional hasta el punto que solamente han sido hasta el punto que solamente han sido

aceptados por dos normas nacionales: la aceptados por dos normas nacionales: la francesa y la espafrancesa y la españñola.ola.

Dispositivos de protecciDispositivos de proteccióón contra n contra rayosrayos

Puntas FranklinPuntas FranklinDispositivos de emisiDispositivos de emisióón temprana ESEn temprana ESEDispositivos de transferencia de carga Dispositivos de transferencia de carga

STCSTC

NormalizaciNormalizacióónnIEC 61024 (IEC62305) y NFPA780IEC 61024 (IEC62305) y NFPA780 : :

basadas en las puntas Franklin.basadas en las puntas Franklin.

NF C17NF C17--102, y UNE 21186102, y UNE 21186 : : se basan en los dispositivos de emisise basan en los dispositivos de emisióón temprana instalados n temprana instalados

en las puntas captadoras y establecen el aumento de la en las puntas captadoras y establecen el aumento de la distancia de proteccidistancia de proteccióón, respecto a un Pararrayos tipo n, respecto a un Pararrayos tipo

Franklin, en funciFranklin, en funcióón de su capacidad de producir la ionizacin de su capacidad de producir la ionizacióón n temprana o preionizacitemprana o preionizacióón del aire.n del aire.

DraftDraft IEEE P1576/2001IEEE P1576/2001 ::

Borrador de norma para sistemas de protecciBorrador de norma para sistemas de proteccióón basados en n basados en sistemas de transferencia de carga.sistemas de transferencia de carga.

PosiciPosicióón de la comunidad cientn de la comunidad cientííficafica

Los sistemas y medios de protecciLos sistemas y medios de proteccióón deben n deben proteger fproteger fíísicamente a las personas, reducir el sicamente a las personas, reducir el riesgo de fuego y evitar la degradaciriesgo de fuego y evitar la degradacióón de los n de los

equipos y las interrupciones en la producciequipos y las interrupciones en la produccióón, a n, a niveles tolerables. Para llenar estos niveles tolerables. Para llenar estos

requerimientos y evitar acciones legales, requerimientos y evitar acciones legales, incluyendo demandas por pincluyendo demandas por péérdidas econrdidas econóómicas, micas,

las normas de proteccilas normas de proteccióón contra rayos deben n contra rayos deben estar basadas en principios cientestar basadas en principios cientííficos probados ficos probados y argumentos ty argumentos téécnicos incuestionables. cnicos incuestionables. ( CIGRE ( CIGRE

WG33.01, ComitWG33.01, Comitéé ICLP)ICLP)

Bases para la evaluaciBases para la evaluacióón del ambiente n del ambiente electromagnelectromagnéético en una ZPRtico en una ZPR

Es necesario conocer los niveles de inmunidad Es necesario conocer los niveles de inmunidad de los equipos dentro de una ZPRde los equipos dentro de una ZPREl campo magnEl campo magnéético se reduce tico se reduce úúnicamente nicamente mediante apantallamientomediante apantallamientoTensiones inducidas se reducen con Tensiones inducidas se reducen con apantallamiento y adecuado cableadoapantallamiento y adecuado cableadoMallas de apantallamiento y cableadoMallas de apantallamiento y cableadoCampos magnCampos magnééticos dentro de las ZPRticos dentro de las ZPR

Debido a impactos directosDebido a impactos directosDebido a impactos cercanosDebido a impactos cercanosIEC IEC 6230562305--4 Anexo A4 Anexo A

SIMULAR O CALCULAR

Sensor de rayosSensor de rayos

ActivaciActivacióón Local o remota. n Local o remota. ResoluciResolucióón n OmnidireccionalOmnidireccional..Inmunidad a daInmunidad a dañños por rayos os por rayos cercanos.cercanos.ActivaciActivacióón por campo eln por campo elééctrico de ctrico de nubes de tormenta elnubes de tormenta elééctrica.ctrica.Fuente independiente (Fuente independiente (vgrvgr. Panel . Panel solar)solar)

DISPOSITIVOS DETECTORES DE TORMENTAS ELÉCTRICAS

Alarma Instalaciones BPAlarma Instalaciones BP

Molino de Campo PAASMolino de Campo PAAS--UNUN

Sensor PortSensor Portáátiltil

Guía de seguridad personal

Respecto a los rayos hay consenso Respecto a los rayos hay consenso mundial que no existen ni medios para mundial que no existen ni medios para

evitarlos ni sistemas de proteccievitarlos ni sistemas de proteccióón n 100% eficaces.100% eficaces.

Sin embargo, existen medidas para Sin embargo, existen medidas para mitigar los riesgos a seres humanos, mitigar los riesgos a seres humanos,

cuya efectividad depende de las cuya efectividad depende de las instituciones en exigirlas y la actitud instituciones en exigirlas y la actitud

de las personas para cumplirlas.de las personas para cumplirlas.

Nt c Rayos Medellin 06

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