Sistemas deprotección contra rayos

MÓDULO 3SISTEMAS DE PROTECCIÓN CONTRA

RAYOS

ING JHON JAIRO BETANCURDIRECTOR DE PROYECTOS

ING JUAN FDO PIÑEROSGESTIÓN DEL CONOCIMIENTO

OBJETIVOS

Entender el fenómeno del rayo

Identificar los riesgos asociados con los rayos

Aprender la metodología de evaluación del riesgo

Adquirir los fundamentos del diseño de sistemas de apantallamiento

INTRODUCCIÓN

RIESGOS PARA LAS PERSONAS, INSTALACIONES Y EQUIPOS RELACIONADOS CON DESCARGAS

ATMOSFÉRICAS

DAÑOS EN LAS INSTALACIONES POR DESCARGAS ATMOSFÉRICAS

Normalmente los impactos de rayos en las instalaciones ocasionan daños en el techo, en algunas ocasiones y de acuerdo con el material del techo puede iniciarse un incendio con graves consecuencias


Cuando el acero de las columnas no es eléctricamente continuo y la descarga ingresa al acero estructural se producen puntos con alta resistencia que generan grandes esfuerzos haciendo que el concreto se agriete o explote

Desprendimiento de material por impacto de rayo

Riesgos para los animales por descargas atmosféricas

Riesgos para árboles por descargas atmosféricas

Riesgos para las personas por descargas atmosféricas

Daño en sistemas internos por descargas atmosféricas

EL FENÓMENO DEL RAYO

α

Carga de la nube

Durante el transcurso de una tormenta, debido a lainteracción entre las columnas de aire y el agua contenida enlas nubes, se favorece la formación de iones particulares quecontiene la atmósfera, como resultado de un procesoadiabático (sin intercambio de calor. Se ha encontrado quenormalmente los iones positivos tienden a ubicarse en laparte alta de las nubes tormentosas (cumulus limbus),mientras los negativos tienden a hacerlo en la parte baja de lanube

α

CONVECCIÓN CONVERGENCIA OROGRAFÍA

Polarización de las nubes

Distribución de carga en la nube

α

Cómo se define el Rayo?

Los rayos o descargas atmosféricas son definidos comodescargas transitorias de energía electrostáticaalmacenada en los centros de carga de las nubes, queuna vez rompen el dieléctrico del aire, se traducen enaltas corrientes que ocurren entre nube y tierra, nube yionosfera o dentro de la misma nube, siendo este últimotipo el más frecuente.

α

Tipos de descargas entre nube y tierra

Descarga nube - tierra negativa (NTN)Descarga nube - tierra positiva (NTP)Descarga tierra - nube negativa (TNN)Descarga tierra - nube positiva (TNP)

α

Tipos de descargas entre nube y tierra

α

Características

La proporción de la polaridad de los rayos nube-tierra se haestablecido a partir de mediciones directas, entre el 90 % y 95 %para polaridad negativa y entre el 5 % y 10 % para positiva, aunqueexisten indicios, al menos para el caso colombiano, de que dichaproporción puede cambiar significativamente en ciertas épocas deaño, y en ciertos sitios, para determinadas condicionesmeteorológicas, hipótesis que requiere muchos más datos parapoderse corroborar, a partir del análisis estadístico temporal de lasbases de datos de los Sistemas de Detección de Descargasatmosféricas de ISA (RECMA) o EPM.

α

Características tipos de descarga

Las descargas NTN se inician en la parte baja de la nube, enla región de carga negativa

Las descargas NTP son originadas por la región superior decarga positiva de la nube, ocurriendo con más frecuencia enlas últimas etapas de la tormenta debido al desplazamiento yseparación horizontal de las cargas positivas con respecto ala región negativa, lo cual disminuye el efecto deapantallamiento de ésta a tierra. Este tipo de descarga nopresenta pasos escalonados tan marcados como la negativapero tiene corrientes pico y cargas transferidas muchomayores

α

Características tipos de descarga

Las descargas tierra-nube son iniciadas por líderesascendentes originados generalmente por picos de montañasy estructuras altas hechas por el hombre y cuya velocidad essimilar a la del líder de la descarga descendente. Lasdescargas TNP son más frecuentes que las TNN.

α

Rayos ascendentes

Rayos descendentes

Formación de la descarga

Las principales etapas de formación de una descarga atmosférica son:

Encendido de la Descarga (Preliminary Breakdown) Líder Escalonado (Stepped Leader) Proceso de Enlace (Attachment Process) Descarga de Retorno (Return Stroke) Líder Dardo

α

Formas de onda - Onda corta

Formas de onda - Onda larga

Posibles componentes para rayos descendentes según IEC 62305

Posibles componentes para rayos ascendentes según IEC 62305

Los parámetros de los rayos cumplen con una distribuciónlog-normal con la siguiente función de densidad deprobabilidad:

Para el tiempo de frente se aproxima

Para el tiempo de cola se tiene

( )

⋅−⋅

⋅⋅=

σµ

πσ/ln

21exp

21)( x

xxf

1

1

−

⋅=

dtdiIT

⋅=

IQT short

17,02

Parámetros de la corriente del rayo

Probabilidad corriente negativa (Anderson)

Parámetros según IEC 62305Parámetros Media Desviación tipo de descarga

I [kA]

33.3 0.263 Primer descarga negativa corta

11.8 0.233 Descarga subsecuente corta

33.9 0.527 Primer descarga positiva corta

Q flash [C]7.21 0.452 Rayo negativo83.7 0.378 Rayo positivo

Q short [C]




W/R [kJ/Ω]



612 0.844 Primer descarga positiva corta

di/dt max [kA/us]


40 0.369 Descarga subsecuente corta


Parámetros Media Desviación tipo de descarga

di/dt 30/90% [kA/µs] 20.1 0.42 Descarga subsecuente

corta

Q long [C] 200 Descarga larga

t long [s] 0.5 Descarga larga

Duración de frente [µs]




Duración de descarga [µs]



224 0.578 Primer descarga positiva corta

Intervalo entre rayos [ms] 32.4 0.405 Múltiples descargas

negativas

Duración total del rayo [ms]

12.8 1.175 Rayo negativo (Todo)

167 0.445 Rayo negativo (sin sencilla)

83.7 0.472 Rayo positivo

Parámetros según NTC 4552Parámetros Media

µ

Desviación estándar

σlog

Tipo de descarga

I (kA)

45,3 0.39 Primera descarga negativa corta

16,3 0,51 Descarga subsecuente negativa corta

33.9 0.527 Primera descarga positiva corta

Qrayo (C)Rayo negativo

83.7 0.378 Rayo positivo

Qcorta (C)

5,2 0.50 Primera descarga negativa corta



W/R

107 0.88 Primera descarga negativa corta


612 0.844 Primera descarga positiva corta

di/dtmax(kA/us)

19,4 0,29 Primera descarga negativa corta



Ω / kJ /di dt30 / 90 %

Parámetros Mediaµ

Desviaciónestándar

σlog

Tipo de descarga

(kA/us) 24,7 0.68 Descarga subsecuente negativa corta

Qlarga (C) 200 Descarga larga

Tlong (s) 0,5 Descarga larga

Duración inicial (frente)

(us)

5.6 0.36 Primera descarga negativa corta



Duración de la cola

(us)

53,5 0,62 Primera descarga negativa corta


224 0.578 Primera descarga positiva corta

Intervalo de tiempo(ms)

Múltiples descargas negativas cortas

Duración total del rayo

(ms)

Rayo negativo (todos)

Rayo negativo

83,7 0,472 Rayo positivo

NOTA Los tipos de descarga que no tienen valor alguno es debido a que no setienen valores medidos.

La DDT (Densidad de Descargas a Tierra) es un parámetrofrecuentemente utilizado para estimar el riesgo asociado con elrayo, y generalmente se mide a través del nivel ceráunico, quepermite cuantificar la cantidad de días tormentosos en el añopara una zona determinada. De acuerdo con la normacolombiana, se sugiere que la DDT para Colombia se puedeestimar como:

Donde:

DDT: Densidad de descargas a tierra, [Rayos/km2/año]

NC: Nivel ceráunico; [Días tormentosos/año]

Densidad de descargas a tierra

56,1017,0 NCDDT ⋅=

Sin embargo, esta forma de estimar la DDT no es confiableya que no discrimina el número de rayos en un mismo día(se cuenta días y no rayos), y es menos recomendable parael caso colombiano, donde ya se dispone de un sistema demedición y ubicación de rayos en cabeza de ISA (sistemaRECMA).

Densidad de descargas a tierra

Nivel Ceráunico NTC 4552 (2004-2008)12,0

10,0

8,0

6,0

4,0

2,0

0,0

-2,0

-4,0

-78,0 -76,0 -74,0 -72,0 -70,0 -68,0

Longitud

Latit

ud

Brasil

Perú

Ecuador

PanamáVenezuela

30

60

6060

60

60

60

90

90

90

90

120

120

120

150

150

150

180

210

180

180

180

210

210

240

240

250

DDT a nivel mundial

Densidad de descargas a tierra de las principales ciudades y poblaciones de Colombia NTC 4552

Ciudad Latitud Longitud

Densidadpromedio

(Rayos/km2/año)

Barranquilla 10,9 -74,8 1Cartagena 10,5 -75,5 2Corozal 9,3 -75,3 3El Banco 9,1 -74,0 10Magangue 9,3 -74,8 5Montería 8,8 -75,9 2Quibdo 5,7 -76,6 9Santa Marta 11,1 -74,2 2Tumaco 1,8 -78,8 1Turbo 8,1 -76,7 5Valledupar 10,4 -73,3 2Riohacha 11,5 -72,9 2Armenia 4,5 -75,8 2Barranca 7,0 -73,8 7Bogota 4,7 -74,2 1

Bucaramanga 7,1 -73,1 1

Ciudad Latitud Longitud

Densidadpromedio

(Rayos/km2

/año)

Cali 3,6 -76,4 1Cúcuta 7,9 -72,5 1Girardot 4,3 -74,8 5Ibagué 4,4 -75,2 2Ipiales 0,8 -77,6 1Manizales 5,0 -75,5 2Medellín 6,1 -75,4 1Neiva 3,0 -75,3 1Ocaña 8,3 -73,4 2Pasto 1,4 -77,3 1Pereira 4,8 -75,7 4Popayán 2,4 -76,6 1Remedios 7,0 -74,7 12Villavicencio 4,2 -73,5 1Bagre 7,8 -75,2 12Samaná 5,4 -74,8 9

DDT Colombia 1999 (áreas 300 km2 x 300 km2)

NTC 4552

12,0

10,0

8,0

6,0

4,0

2,0

0,0

-2,0

-4,0

-78,0 -76,0 -74,0 -72,0 -70,0 -68,0

Longitud

Latit

ud

Brasil

Perú

Ecuador

Panamá

Venezuela

-66,0

14,0

Bogotá D.C.

Samaná

El Bagre

1

1

1

2

2

2

3

4

3

34

5

5

6

78

9

EL MODELO ELECTROGEOMÉTRICO

Si bien los parámetros de la descarga son conocidos comoun fenómeno aleatorio, el modelo electrogeométricoplantea que una vez asumida una corriente de retorno, elúltimo paso del líder escalonado estadísticamentemanejable, con una media y desviación estándar calculadaen pruebas de laboratorio y a partir de fotografías y lecturasde rayos reales.


La principal hipótesis en la que se basa el modeloelectrogeométrico es que la carga espacial contenida en lapunta del líder escalonado, previa a la descarga de retorno,está relacionada con la magnitud pico esperada de lacorriente del rayo. Con base en estudios teóricos yexperimentales de la tensión de ruptura dieléctrica degrandes espacios interelectródicos.


Evolución de los parámetros de la distancia de impacto

NTC 4552

IEC 62305

IEEE 998

Expresiones utilizadas por las normas

0.783.9S I=

0.6510S I=

0.658S kI=

DEFINICIONES BÁSICAS NORMA IEC 62305 - NTC 4552

Impacto directo de rayo. Rayo sobre un objeto a proteger.

Impacto indirecto de rayo. Rayo que impacta lo suficientementecerca a un objeto a ser protegido, tal que puede causarsobretensiones peligrosas.

Impulso electromagnético del rayo IER (Lightning ElectromagneticImpulse LEMP) Campo electromagnético generado por la corrientedel rayo, capaz de generar interferencia electromagnéticaNOTA La interferencia electromagnética incluye sobretensionesconducidas al equipo del sistema eléctrico y electrónico así comoefectos directos del campo magnético sobre el equipo mismo.

α


Energía específica del rayo (W/R) (Specific Energy). Representa laenergía disipada por la corriente de rayo en una resistencia unitaria yse obtiene mediante la integral en el tiempo del cuadrado de lacorriente de rayo para la duración completa del mismo.

Multiplicidad (Multiple Strokes). Número de descargas quecomponen un rayo. Para el caso de la región colombiana, lamultiplicidad presenta un valor promedio entre 1 y 2, con unintervalo típico de tiempo entre éstas, de aproximadamente 50 ms(Se han reportado eventos de hasta 16 descargas con intervalos entre10 a 250 ms).

α


Sistema integral de protección contra rayo SIPRA (LightningProtection System LPS).Sistema integral usado para reducir los daños físicos que pueden sercausados por el rayo a un ser vivo o a una estructura. Se puedeconsiderar la medida más efectiva para proteger las estructura contralos daños físicos causado por las descargas eléctricas atmosféricas.Este sistema usualmente consiste tanto de una protección externa,una interna y medidas de seguridad y protección personal contrarayos.

α


Sistema de protección externa (External Lightning ProtectionSystem). Parte del SIPRA que consiste en un sistema de puntas decaptación, un sistema de conductor bajante y un sistema de puesta atierra.NOTA Generalmente estos elementos están instaladosexternamente a la estructura.

Sistema de protección interna (Internal Lightning ProtectionSystem). Parte de un SIPRA que consiste en una conexiónequipotencial de rayo y acorde con la distancia de separación dentrode la estructura protegida.

α


Sistema de puesta a tierra (Earth Termination System). Parte de unSIPRA que conduce y dispersa intencionalmente la corriente de rayoen tierra.

Sistema eléctrico (Electrical System). Sistema que incluyecomponentes de suministro eléctrico de baja tensión y posiblementecomponentes electrónicos.

Sistema electrónico (Electronic System). Sistema que incluyecomponentes electrónicos sensibles tales como equipos decomunicación, computadores, instrumentos de control einstrumentación, sistemas de radio, instalaciones electrónicas depotencia.

α


Sistema interno (Internal System). Sistemas eléctricos y electrónicosdentro de una estructura.

Acometida a ser protegida (Service to be Protected). Acometidaconectada a una estructura para la cual se requiere protección contralos efectos del rayos

Acometida eléctrica. Para esta norma se considera como laderivación de una red local del servicio de energía eléctrica, queentra a la estructura y alimenta a los sistemas eléctricos yelectrónicos localizados allí.

Acometida de servicio. Derivación de la red local de un serviciodomiciliario que ingresa a la estructura a ser protegida.

α


Estructura a ser protegida (Structure to be Protected) Estructurapara la cual se requiere protección contra efectos del rayo.NOTA Una estructura protegida puede ser parte de una estructuramás grande

Estructura con riesgo de explosión. Estructura que contienemateriales sólidos explosivos o zonas peligrosas como las definidasen lEC 60079-10 e lEC 61241-10.NOTA Para el propósito de esta norma solo se consideran lasestructuras con zonas peligrosas tipo Cero (0) o con contenido demateriales sólidos explosivos.

Eventos peligrosos. Un impacto de rayo sobre el objeto a proteger ocercano al mismo.

α


Falla del sistema eléctrico y electrónico (Failure of Electrical andElectronic System) Daños permanentes del sistema eléctrico yelectrónico por causa de efectos electromagnéticos del rayo.

Zona de protección contra rayos ZPR (Lightning Protection ZoneLPZ). Zona donde está definido el ambiente electromagnético delrayo.

Zona de una estructura (Zs). Parte de una estructura concaracterísticas homogéneas donde solo una parte de los parámetrosson tenidos en cuenta en la evaluación de los componentes deriesgo.

α


Sistema de captación (Air Terminal System). Parte de un SIPRA,compuesto de elementos metálicos tales como bayonetas,conductores de acoplamiento o cables colgantes que interceptanintencionalmente el rayo.

Sistema de conductores bajantes (Down Conductors System). Partede un SIPRA que conduce intencionalmente la corriente del rayodesde el sistema de captación al sistema de puesta a tierra.

Sistema de medidas de protección contra IER (LEMP ProtectionMeasures System). Conjunto de medidas de protección contra IERpara sistemas internos.

α


Apantallamiento magnético (Magnetic Shield). Conjunto deelementos metálicos que encierran el objeto a proteger, o parte deeste, para reducir fallas en sistemas eléctricos y electrónicos.

α


Dispositivo de protección contra sobretensiones DPS (Surge Protective Device SPD).

Dispositivo que limita intencionalmente las sobretensiones transitorias y dispersa las sobrecorrientes transitorias. Contiene por lo menos un componente no lineal.

α


Sistema de protección contra sobretensiones (Surge ProtectionDevices System).

Conjunto de DPS seleccionados, coordinados e instaladoscorrectamente para reducir fallas de sistemas eléctricos, electrónicosy de telecomunicaciones.

α


Riesgo (Risk) (R). Valor probabilístico relativo a una pérdida anual(seres humanos y bienes), causada por el rayo y relativas al valor delobjeto a proteger. Medida de las pérdidas anuales probables (seresvivos y en bienes) debidas a rayos, relativo al valor de (seres vivos yen bienes) de los objetos a proteger.

Riesgo tolerable (RT) (Tolerable Risk). Valor máximo del riesgo que sepuede tolerar para el objeto a proteger.

Componentes de riesgo (Rx). Riesgo parcial dependiendo de lafuente y el tipo de daño.

α


Daño físico (Physical Damage). Daño a la estructura o al contenido de la misma debido a efectos mecánicos, térmicos, químicos y explosivos del rayo.

Pérdida (Lx). Monto promedio de pérdidas (seres vivos y bienes) paraun tipo de daño específico debido a eventos peligrosos, relativo alvalor (seres vivos y bienes) del objeto a protegerse.

Probabilidad de daño (Px). Probabilidad de que un rayo pueda causar daño al objeto a ser protegido.

α


Número de impactos directos de rayos a una estructura (ND).Número anual de rayos esperados sobre la estructura.

Número de impactos directos de rayos a una acometida (NL).Número anual de rayos esperados que impactan sobre una acometida.

Número de impactos de rayos cerca a una estructura (NM). Número anual de rayos esperados cerca a una estructura.

Número de impactos de rayos cerca de una acometida (NI). Número anual de rayos esperados cerca de una acometida.

α


Ambiente urbano. Área con alta densidad de edificios o con comunidades densamente pobladas y edificios altos.NOTA El centro de la ciudad es un ejemplo de ambiente urbano.

Ambiente suburbano. Área con densidad media de edificios.NOTA La afueras de la ciudad es un ejemplo de ambiente suburbano.

Ambiente rural. Área con baja densidad de edificios. NOTA El campo es un ejemplo de ambiente rural.

α


Nivel de protección contra rayos NPR (Lightning ProtectionLevel LPL).

Número relacionado con un conjunto de los parámetros de lacorriente de rayo, pertinentes a la probabilidad que asocia losvalores de diseño máximo y mínimo, son valores que no seránexcedidos cuando naturalmente ocurra una descarga eléctricaatmosféricaNOTA El nivel de protección contra rayo se utiliza paradiseñar las medidas de protección contra rayo.

α


Terminal de captación o dispositivo de interceptación de rayos (Air Terminal).

Elemento metálico cuya función es interceptar los rayosque podrían impactar directamente sobre la instalación aproteger. Comúnmente se le conoce como pararrayos.

α

APANTALLAMIENTO CONTRA DESCARGAS ATMOSFÉRICAS DIRECTAS

EN EDIFICACIONES

IEC 62305 NTC 4552 NFPA 780

Filosofía de las normasNFPA 780

La norma NFPA 780 ha sido por muchos años la principalreferencia en cuanto a diseño de sistemas de apantallamiento,es una norma orientada a la instalación de sistemas deprotección contra rayo, en esencia es una norma prácticadesarrollada alrededor de la experiencia y parámetros del rayoen los Estados Unidos.

Filosofía de las normasIEC 62305

La Norma IEC 62305 es una publicación reciente (2006) quebuscó mejorar la norma existente de protección contra rayos(IEC 61024), se divide en 4 partes, la primera de principiosgenerales, la segunda el cálculo del riesgo, la tercera daño físicoa estructuras amenazas contra la vida que da las pautas para eldiseño del sistema de protección externo y la cuarta sistemaseléctricos y electrónicos en estructuras que básicamente serefiere a DPS.

Filosofía de las normasNTC 4552

La norma Colombiana adoptó la norma IEC en sus tres primeraspartes con las respectivas adaptaciones de acuerdo con losparámetros del rayo en la zona.

Actualmente se trabaja en la cuarta parte, para la cual se haconsiderado un esquema propio teniendo en cuenta lo que diceIEC en su parte 4.

Filosofía de las normasDiferencias entre NFPA e IEC

En cuanto a fundamentación se refiere ambas normas consideran datosestadísticos del rayo y se usa el modelo electrogeométrico, sin embargo losparámetros utilizados son diferentes.

La norma IEC presenta una fundamentación más robusta en cuanto alanálisis del rayo y sus efectos en las edificaciones, este análisis conduce auna detallada formulación del cálculo del riesgo que involucra más de 50variables en edificaciones complejas, mientras que en la norma NFPA elanálisis del riesgo se enfoca en comparar la frecuencia de impactos con lafrecuencia tolerable de impactos, estas variables consideran solo algunosaspectos de las edificaciones: localización y área, uso, material, contenido,ocupación y posibles efectos del rayo.


La norma IEC presenta 4 niveles de protección contra rayos quebásicamente definen parámetros de rayo con una probabilidad deno ser superados y especifican la corriente de diseño para el sistemade protección externo, la norma NFPA define un radio de descargade 45 m correspondiente a una corriente de diseño de 10 kA paraedificaciones cubriendo el 91% de descargas y para zonas con riesgode explosión define un radio de descarga de 30 m correspondiente a5 kA. Los niveles de protección IEC I, II, III y IV definen radios dedescarga de 20, 30, 45 y 60 m correspondientes a corrientes dediseño de 3, 5, 10 y 16 kA cubriendo el 99, 97, 91 y 84 % de lasdescargas respectivamente.


En términos de especificaciones de diseño del sistema de protecciónexterno tanto IEC como NFPA cubren los temas básicos, sin embargoIEC profundiza más en varios temas como materiales, corrosión,acero estructural entre otros.


En el tema de la protección interna y los DPS la norma IEC es muchomás extensa que la norma NFPA. En la NFPA 780 se dan parámetrosmínimos de los DPS ubicados en la entrada y máximos niveles deprotección de acuerdo con el tipo de sistema, en la IEC 62305 paracada nivel de protección hay exigencias de los DPS y además deacuerdo con la zona o interfaz de zonas donde se ubique el DPS seexige que sea de una clase determinada de acuerdo con la normaIEC 61643.

Filosofía de las normas¿Qué dice el RETIE?

1. Debe hacerse una evaluación del nivel del riesgo por exposiciónal rayo, la cual debe considerar: pérdidas de vidas humanas,pérdidas del suministro de energía, pérdida o daños graves abienes. Menciona normas IEC y NTC, o “de reconocimientointernacional”

2. Diseño con normas basadas en el método electrogeométrico3. La protección se debe basar en la aplicación de un Sistema

Integral de Protección4. Todo terminal de captación debe tomarse como el de un

terminal tipo Franklin

Apantallamiento con IEC 62305 NTC 4552Efectos de los rayos en estructuras

Tipo de estructura según la función y/o el contenido Efectos del rayo

Casa de habitación

Perforación de instalaciones eléctricas, fuego y daños materialesDaño limitado normalmente a los objetos expuestos al punto de toqueo a la trayectoria de la corriente del rayo.Falla de equipo eléctrico y electrónico y de sistemas instalados (ej.Sistemas de TV, computadoras, módems, teléfonos, etc.)

Edificación rural

Riesgo primario de fuego y tensiones de paso peligrosos, así comodaño material.Riesgo secundario causado por pérdida de energía eléctrica, y peligrode vida del ganado debido a la falta de control electrónico desistemas de ventilación y de suministro de alimentos, etc.

Teatro, Hotel, Escuela,Almacén grande, Área deportiva

Daño de instalaciones eléctricas (ej. iluminación eléctrica)probablemente causa de pánico.Falla de alarmas contra incendio, dando por resultado retrasos en lasmedidas de extinción del fuego

Banco, Compañía de segurosCentros comerciales, etc.

Situaciones como las anteriores, más problemas resultado de pérdidade comunicación, falla de computadoras y pérdida de datos

Apantallamiento con IEC 62305 NTC 4552Efectos de los rayos en estructuras

Tipo de estructura según la función y/o el contenido Efectos del rayo

Hospital, Clínica de reposo, Prisión Situaciones como las anteriores, más complicaciones con las personasen cuidados intensivos, y dificultades de rescatar a gente inmóvil.

IndustriaEfectos adicionales dependiendo del contenido de la fábricas,extendiéndose de menor importancia por daño inaceptable y pérdidade la producción.

Museos y sitios arqueológicosIglesias

Pérdida de patrimonio cultural irreemplazable.

Telecomunicaciones, Centrales eléctricas Pérdidas inaceptables de servicio al público.

Fábrica de fuegos artificialesTrabajos con municiones

Fuego y explosión de la planta y a sus alrededores.

Planta química, Refinería Central nuclear , Laboratorios bioquímicos y plantas

Fuego y mal funcionamiento de la planta con consecuenciasperjudiciales al ambiente local y global.

Apantallamiento con IEC 62305 NTC 4552Efectos de los rayos en acometidas

Tipo de acometida Efectos del rayo

Líneas de telecomunicaciones

Daños mecánicos de la línea, derretimiento de pantallas yconductores, falla del aislamiento del cable y falla primaria delequipo principal causa de inmediata pérdida del servicio.Fallas secundarias en los cables de fibra óptica con daño del cablepero sin pérdida del servicio.

Líneas de Energía

Daños en los aisladores de líneas aéreas de baja tensión.Perforaciones del aislamiento del cable de la línea, falla delaislamiento del equipo de la línea y de transformadores con laconsecuencia de perder el servicio.

Tuberías de agua Daños a los equipos de control eléctrico y electrónico,probablemente causando la pérdida del servicio.

Tuberías de gas, Tuberías decombustible

Perforaciones de empaques no metálicos probablementecausando fuego y/o la explosiones.Daños a equipos de control eléctrico y electrónico probablementecausando pérdida del servicio.

Apantallamiento con IEC 62305 NTC 4552El enfoque del riesgo – pérdidas

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Apantallamiento con IEC 62305 NTC 4552El enfoque clave, fuentes de daño, tipo daño y tipo de pérdida

Punto de Impacto Fuente de Daño

Tipo de Daño

Tipo de Pérdida

Estructura S1D1D2D3

L1, L4(2)

L1, L2, L3, L4L1, L2, L4

Cerca de la estructura S2 D2**, D3 L1(1), L2, L4

Acometida de servicioentrando a la estructura S3

D1D2D3

L1, L4(2)

L1, L2, L3, L4L1(1), L2, L4

Cerca de la acometidade servicio S4 D3 L1(1), L2, L4

(1) Solo para estructuras con riesgo de explosión, hospitales u otra estructura en donde las fallasdel sistema interno ponga en peligro la vida humana.(2) Solo para propiedades donde exista pérdida de animales.** En el caso de estructuras con riesgo de explosión.

Las zonas de protección contra rayos ZPR son un concepto tomadode la teoría de compatibilidad electromagnética.

Las protecciones aguas abajo de la ZPR se caracterizan por unareducción significativa del IER, que pueda existir aguas arriba de laZPR.

Apantallamiento con IEC 62305 NTC 4552Zonas de protección contra rayo (ZPR)

ZPR 0A Expuesto a impactos directos del rayo. La Corriente y el campomagnético del rayo no son amortiguados.

ZPR 0B Protegido contra impactos directos de rayo. La corriente parcial oinducida del rayo y el campo magnético no son amortiguados.

ZPR 1 Protegido contra impactos directos del rayo. La corriente parcial oinducida del rayo y el campo magnético son amortiguados.

ZPR 2…n Como la ZPR 1 pero el campo magnético es másamortiguado.

NOTA En general, cuanto más alto es el número de la zona individual,más bajos son los valores de los parámetros electromagnéticos delambiente.


Como regla general para la protección, el objeto protegido estará enuna ZPR cuyas características electromagnéticas sean compatiblescon la capacidad del objeto para soportar el esfuerzo causa del dañoa reducir (daños físicos, fallas de los sistemas eléctricos yelectrónicos debidas a sobretensiones).

La estructura protegida estará dentro de un ZPR 0B o mayor. Esto sealcanza por medio de un sistema integral de protección contra rayo(SIPRA).


Zonas de Protección contra Rayos ZPR definidas para un SIPRA (NTC 4552-3)

s

s

EstructuraSistema deinterceptación

Sistema debajantes

Sistema de tierra

Servicioentrando

Servicioentrando

S3

S1

S2S4

BZPR 0 ZPR 0B

ZPR 1

ZPR 0 A

DPS 0 A/1

A/1DPS

r r

S1S2

S4S3

sr

Impacto a la estructuraImpacto cerca de la estructuraImpacto en servicio entrando a la estructuraImpacto cerca servicio entrando a la estructuraRadio esfera rodanteDistancia separación contra peligros de impacto

Barraje equipotencial de rayos (DPS)

ZPR 0 A Impactos directos, corriente total del rayo

No impactos directos, corriente parcial de rayo o corriente inducidaZPR 0B

No impactos directos, corriente parcial de rayo a corriente inducidaZPR 1Volúmen protegido dentro de ZPR 1 tiene que respetardistancia de separación s

Zonas de Protección contra rayos ZPR definidas para medidas de protección contra IER (NTC 4552-3)

Sistema deinterceptación

Sistema de tierra

r

S4

DPS 0 A/1

BZPR 0

s

DPS 0 A/1

ZPR 1

S3

Estructuraapantallada

por ZPR 1ZPR 0

Servicioentrando

A

S1

Sistema debajantes

r

ZPR 0B

2S

ZPR 0B

Servicioentrando

DPS 12

DPS 12

ZPR 2

ds

sd

DPS 0B/1

Cuartoapantallado

por ZPR 2

• Adecuado aislamiento de piezas conductoras expuestas.

• Equipotencialización por medio de un sistema de puesta a tierra.

• Restricciones físicas y avisos de prevención.

Apantallamiento con IEC 62305 NTC 4552Medidas de protección para reducir lesiones a seres vivos

• El Sistema integral de protección contra rayos (SIPRA)

• Conductor blindado (para acometidas)

Apantallamiento con IEC 62305 NTC 4552Medidas de protección para reducir daños físicos

En estructuras:

• El sistema de protección contra IER (SPIER) es un conjunto de las

siguientes medidas que pueden ser usadas solas o en combinación:

• Dispositivos de protección contra sobretensiones (DPS) en el punto

de entrada de las líneas que incorporan la estructura y en las

instalaciones internas,

• Protectores magnéticos en la estructura y/o en las instalaciones de

la estructura y/o en las líneas que incorporan la estructura,

• Establecer rutas adecuadas del cableado interno en la estructura.

• Conexión a tierra y unión de conductores

Apantallamiento con IEC 62305 NTC 4552Medidas de protección para reducir fallas en sistemas eléctricos y electrónicos

Para acometidas

• Dispositivos de protección contra sobretensiones (DPS) a lo largo de laacometida y en la terminación de línea;

• Apantallamientos magnéticos de cables.

NOTA Para cables enterrados, una protección muy eficaz es una continua pantalla

metálica de calibre adecuado.

NOTA Circuitos auxiliares, equipo redundante, sistemas de autoabastecimientoenergético, sistemas continuos de energía, sistemas de almacenamiento de agua,sistemas automáticos de detección de falla son medidas de protección eficacespara reducir la pérdida de actividad de algún servicio.

NOTA Un incremento de la tensión disruptiva del aislamiento del equipo y de loscables es una medida eficaz de protección contra fallas causadas porsobretensiones.

Apantallamiento con IEC 62305 NTC 4552Medidas de protección para reducir fallas en sistemas eléctricos y electrónicos

Apantallamiento con IEC 62305 NTC 4552Niveles de protección - parámetros

Primera descarga corta NPR

Parámetro Símbolo Unidad I II III IV

Corriente pico I KA 200 150 100

Carga corta Qcorta C 100 75 50

Energía específica W/R kJ/Ω 10 000 5 625 2 500

Descarga corta subsecuente NPR


Corriente pico I KA 54 40,5 27

Pendiente Promedio di/dt kAµs 120 90 60

Parámetros de tiempo T1/T2 µs/µs 0,4/50

Descarga larga NPR


Carga larga Qlarga C 100 75 50

Parámetro de tiempo Tlargo s 0,5

Rayo NPR


Carga Qrayo C 300 225 150

Radio esfera rodante

Apantallamiento con IEC 62305 NTC 4552Niveles de protección - parámetros

Criterio de interceptación NPR

Símbolo Unidad I II III IV

Corriente pico mínima I kA 17 21 26 30

Radio esfera rodante R m 35 40 50 55

Probabilidad que los parámetros seanNPR

I II III IV

Menores que el máximo definido para el NPR 0,99 0,98 0,97 0,96

Mayores que el mínimo definido para el NPR 0,99 0,97 0,91 0,84

Probabilidades para los limites de los parámetros del rayo

CÁLCULO DEL RIESGO POR RAYOS IEC 62305 – NTC 4552

El RIESGO

El riesgo según IEC 62305 – NTC 4552

R = N x P x L

Promedio de eventos al año

[1/año]

Probabilidad de daño

PérdidasValor promedio pérdidas anuales

[pérdidas/año]

Riesgos a evaluar

Riesgos a evaluarValores tolerables

Tipo de pérdida RT (y - 1)

R1 Pérdida de vidas o lesiones permanentes 10 - 5

R2 Pérdida de servicio público R2 10 - 3

R3 Pérdida de patrimonio Cultural R3 10 - 3

y R4 no tiene valor tolerable? Relación costo beneficio $

De las Componentes de Riesgo

R= Rx

Y… de qué depende cada riesgo a evaluar?

RA RB RC RM RU RV RW RZ

Las componentes de riesgo son riesgos específicos asociados con un tipo de evento y un tipo de daño

∑

Qué significa cada componente?

RARBRCRMRURVRWRZ

S1

S3

S2

S4

Lesiones a seres vivos causados por tensiones de paso y contacto en las zonas con un radio de cobertura de 3 m fuera de la estructura.

Daños físicos causados por chispas peligrosas dentro de las estructura causando fuego o explosión

Falla de sistemas internos causado por IER

Lesiones en seres vivos causado por tensiones de contacto dentro de la estructura, debido a corrientes de rayo que fluyen por una línea entrante a la estructura

Falla de sistemas internos causado por IER

Daños físicos (fuego o explosión por chispas entre las instalaciones externas y partes metálicas generalmente al punto de entrada de la línea a la estructura) debido a corrientes de rayo transmitida a través de la acometida de serviciosFallas de sistemas internos causados por sobretensiones inducidas sobre las acometidas y transmitida a la estructura

Fallas de sistemas internos causados por sobretensiones inducidas sobre las acometidas y transmitida a la estructura

¿Cuáles componentes aplican a cada R evaluado?

RARBRCRMRURVRWRZ

R1

RBRCRM

RVRWRZ

R2

RB

RV

R3RARBRCRMRURVRWRZ

R4

Cuándo se evalúa una componente y cuándo no?

Fuente de dañoDescargas sobre

la estructuraS1

Descargas cercanas a

la estructura

S2

Descargas sobre las acometidas

de serviciosS3

Descargas cercanas a

las acometidas de servicios

S4Componente de

riesgo RA3 RB RC

4 RM4 RU

5 RV5 RW

4,5 RZ4,5

Riesgo para cada tipode pérdida

R1 X X X1 X1 X X X1 X1

R2 X X X X X XR3 X XR4 X2 X X X X2 X X X

1 Únicamente para estructuras con riesgo de explosión, y para hospitales u otrasestructuras en donde la falla de sistemas internos ponga en peligro la vida humana2 Únicamente para propiedades en donde pueda haber pérdida de animales3 Únicamente se calcula para exteriores4 Únicamente se calcula si existe equipo sensible5 Se debe calcular para cada tipo de acometida de servicios (alimentación eléctricay telecomunicaciones)

¿Vale la pena este cálculo tan “complejo” y con tantas variables?

¿Cuánto esta dispuesto a perder?

Procedimiento básico para evaluar la necesidad de protecciónIdentificar objeto a ser protegido, definir zonas

Para cada tipo de pérdida

CalcularΣ x

T

Identificar tipo pérdidas relacionada con la estructuray sus acometidas de servicio

Estructura o servicioprotegido para este

tipo de pérdida

Instalar medidas de protección adecuadaspara reducir

* Identificar el tiempo tolerable T

* Identificar y calcular todos los componentes de riesgo x

SI

NO

Procedimiento básico para la decisión de la

conveniencia económica de una medida de

protección la necesidad de protección

Calcular componentes de riesgo x relacionadas con 4

CPM + CRL > CLNo es convenienteadoptar la medida

SI

* Estructura y su actividad* Instalación interna

Identificar el valor de:

Calcular costo anual de la pérdidas totalesCL yel costo CRL de las pérdidas

residuales en preferencia de medidas

Calcular el costo anual CPM

de las medidad de protección

Es conveniente adoptar lamedida de protección

NO

Calculo de componentes de riesgo

DañoDescargas sobre la

EstructuraS1

Descargas cercanas a la

estructuraS2

Descargas sobre las acometidas de servicios

S3 (1)

Descargas cercanas a las acometidas de

serviciosS4 (1)

D1 RA = ND * PA * LA RU = (NL + NDa)* PU * LU

D2 RB = ND * PB * LB RV = (NL + NDa) * PV * LV

D3 RC = ND * PC * LC RM = NM * PM * LM Rw = (NL + NDa)* PW * LW Rz = (NI - NL)* Pz * Lz

1) Si la línea tiene más de una sección (aérea, subterránea, apantallada, sin apantallamiento), el valorde RU, RV, RW y Rz serán la suma de los valores RU, RV, RW y Rz pertinentes a cada sección de la línea.En caso de que a la estructura lleguen más líneas conectadas a través de diferentes rutas, el cálculose debe hacer para cada línea.

NOTA 1 Las componentes LX varían de acuerdo con el tipo de riesgo a evaluar (R1, R2, R3, R4)NOTA 2 Para el cálculo de RZ si (NI - NL) ≤ 0 entonces RZ = 0

CALCULO DEL NÚMERO DE EVENTOS

R = N x P x L


[1/año]



[pérdidas/año]

ND =DDT * Ad * Cd * 10-6

DDT = 0,0017 * Nc1.56 (rayos/km2-año)Nc = Número de días tormentosos al añoAd = Área efectiva de la estructura aislada (m2).

Cálculo de Eventos Promedio AnualesPromedio Anual de descargas sobre la estructura ND

Localización relativa Cd,

Objeto rodeado de objetos o árboles más altos 0,25Objeto rodeado de objetos o árboles de igual altura omenor 0,5

Objeto aislado: sin objetos en la vecindad 1Objeto aislado: en la cima de una colina o elevación 2

Cálculo de Eventos Promedio AnualesÁrea efectiva Ad

Ad = LW+ 6 H (L+W) + 9 π H2

NM = DDT * (Am - Ad * Cd) * 10-6

DDT = Densidad de descargas a tierra (rayos/km2/año)Am = Área de influencia de la estructura (m2)Ad = Área efectiva de la estructura (m2)

Cálculo de Eventos Promedio AnualesPromedio Anual de descargas cercanas a la estructura NM

Localización relativa Cd,

Objeto rodeado de objetos o árboles más altos 0,25Objeto rodeado de objetos o árboles de igual altura omenor 0,5

Objeto aislado: sin objetos en la vecindad 1Objeto aislado: en la cima de una colina o elevación 2

Cálculo de Eventos Promedio AnualesÁrea de influencia de la estructura Am

El área de influencia de la estructura Am está definida entre la frontera de la estructura y una línea localizada a 250 m del perímetro de la estructura

NL= DDT * AI * Cd * Ct * 10-6

DDT Densidad de descargas a tierra (rayos/km2/año).

AI Área efectiva de descargas al servicio (m2)

Cd Factor de localización del servicio

Ct Factor de corrección por la presencia de transformadores de AT/BT localizado entre el punto de choque y la estructura.

Este factor aplica para secciones de línea aguas arriba del transformador respecto a la estructura.

Cálculo de Eventos Promedio Anualespromedio anual de descargas sobre las acometidas de servicios (NL)

Tipo de transformador Ct

Transformador con devanado primario y secundario desacoplados eléctricamente 0,2Auto transformador 1Sin transformador 1

Cálculo de Eventos Promedio AnualesÁreas efectivas descargas sobre la acometida Al

y de influencia o descargas próximas Ai a las acometidas

Aérea Subterránea

Al (Lc - 3(Ha + Hb)) 6 Hc (Lc - 3(Ha + Hb))

Ai 1 000 Lc 25 Lc

Al Área efectiva de descargas sobre la acometida de servicio (m2);Ai Área efectiva de descargas próximas a la acometida de servicio (m2);Hc Altura (m) sobre la tierra de los conductores del servicio (m);Lc Longitud de la sección de la acometida de servicio, de la estructura al

primer nodo (m). un valor máximo valor Lc = 1 000 m puede asumirse;Ha Altura de la estructura de donde proviene la acometida de servicio (m);Hb Altura del punto de la estructura por donde ingresa la acometida de

servicio (m);ρ Resistividad del terreno donde la acometida es enterrada (Ω.m).El

máximo valor que se puede asumir es 500 Ω.m.

ρ

ρ

Ni = DDT * Ai * Ce * Ct * 10-6

en donde:DDT Densidad de descargas a tierra (rayos/km2/año)Ai Área efectiva de descargas cercanas al servicio (m2)Ce Factor ambientalCt Factor de corrección por la presencia de transformadores de AT/BT

localizado entre el punto de choque y la estructura.

Cálculo de Eventos Promedio AnualesPromedio anual de descargas cercanas a las acometidas de servicio (Ni)

Ambiente CeUrbano con edificaciones altas 1) 0Urbano 2) 0,1Suburbano3) 0,5Rural 11) Edificaciones de más de 20 m de altura2) Edificaciones entre 10 m y 20 m de altura3) Edificaciones menores a 10 m de altura

Cálculo de Eventos Promedio AnualesResumen de áreas

250 m

Final"a"

Final"a"

2D

m

a

a

d

a

a

i

CÁLCULO DE LA PROBABILIDAD DE DAÑO

R = N x P x L


[1/año]



[pérdidas/año]

Cálculo de la probabilidad de daño

PA probabilidad de lesiones a seres vivos por tensiones de paso o contacto por descargas directas a la estructura

Medida de Protección PA

Sin medidas de protección 1

Aislamiento eléctrico de bajantes expuestas. (Ej. al menos depolietileno) 10-2

Equipotencialización efectiva del suelo 10-2

Avisos de advertencia 10-1

NOTA Si más de una medida de protección ha sido tomada, el valor dePA es producto de los valores correspondientes según esta tabla.


PB probabilidad de daño a la estructura por descargas directas

Características de la estructura Nivel de protección contra rayos PB

No Protegida -- 1

Estructura protegida

IV 0,2III 0,1II 0,05I 0,02

Estructura con un sistema de captación aéreo de acuerdo con el nivel I y dondese usa el armazón de concreto reforzado como el sistema de bajantes. 0,01

Estructura con techo metálico o un sistema de captación aéreo con proteccióncompleta de cualquier instalación el techo contra impactos directos de rayo ydonde se usa el armazón de concreto reforzado como el sistema de bajantes. 0,001

NOTA Los valores de probabilidad descritos en la tabla son posibles siempre y cuando elsistema de protección contra rayos cumpla con los criterios de NTC 4552.


PC probabilidad de daño de sistemas internos por impacto directo a la estructura

PC = PSPD

Nivel de protección contra rayos PDPS

Sin sistema coordinado de protección 1

III - IV 0,03

II 0,02

I 0,01

Son posibles valores menores de PC en el caso en que los dispositivos deprotección tengan mejores características de protección (mayorcapacidad de corriente soportable, menor nivel de protección, etc.)comparado con requerimientos definidos para el Nivel I de Proteccióncontra Rayos.

0,005 - 0,001

NOTA Solo un sistema coordinado de DPSs es adecuado como medida de reducción de PC.

NOTA Sistemas internos apantallados conectados a líneas externas a través de ductosapantallados no requieren de un sistema coordinado de DPSs.

Cálculo de la probabilidad de dañoPM probabilidad de daño de sistemas internos por impactos cercanos a la

estructura

KMS = KS1× KS2 × KS3 × KS4

depende de las medidas de protección adoptadas, de acuerdo con el factor KMS

Si no hay DPS coordinados el valor de PM será igual a PMS

Si hay DPS coordinados el valor de PM será el menor entre PMS y PDPS

Cálculo de la probabilidad de dañoFactor KMS


KS1= 0.12 × w Factor de eficacia del apantantallamiento de la estructura del sistema de protección externo o de otros escudos en la frontera LPZ0/1;

KS2= 0.12 × w Factor de eficacia del apantallamiento interno de la estructura. Frontera LPZ X/Y Y (X > 0, Y > 1);

w Ancho en metros de la cuadricula del escudo espacial, o el ancho de la malla o los conductores bajantes, o la distancia entre las columnas en sistemas que utilizan la estructura de concreto reforzado como sistema natural de protección contra rayos.

NOTA En apantallamientos continuos con un espesor entre 0,1 mm y 0,5 mm el rango de valores para KS1, KS2 esta entre KS1 = KS2 = 10-4 y 10-5.



KS3 Factor de características del cableado interno véase la tabla

KS4 = 1.5/Uw Factor de soportabilidad al impulso tipo rayo del sistema a proteger.

Uw es el menor valor de la tensión soportable al impulso tipo rayo en KV contenido en el sistema a proteger.


KMS = KS1× KS2 × KS3 × KS4Tipo de Cableado Interno KS3

Cables sin pantalla - Sin precaución de evitar lazos en la ruta 1 1Cables sin pantalla – Con precaución de evitar grandes lazos en la ruta 2 0,2Cables sin pantalla – Con precaución de evitar lazos en la ruta 3 0,02Cable apantallado con resistencia de pantalla 4 5 < Rs ≤ 20 Ω/km 0,001Cable apantallado con resistencia de pantalla 4 1 < Rs ≤ 5 Ω/km 0,0002Cable apantallado con resistencia de pantalla 4 Rs ≤ 1 Ω/km 0,00011 Lazo de conductores formado por diferentes rutas a lo largo de edificaciones largas (lazo delorden de 50 m2)2 Lazo formado por conductores alojados en el mismo ducto con diferentes rutas en edificacionespequeñas (lazo del orden de 10 m2)3 Lazo formado por conductores alojados en el mismo cable (lazo del orden de 0.5 m2 )4 Cable con resistencia de pantalla Rs unida al barraje equipotencial en ambos extremos y equipo

conectado al mismo barraje.

NOTA para cableado en conduit metálico aterrizado en sus extremos al barraje equipotencial;los valores de KS3 deben multiplicarse por 0,1



KMS PMS

≥ 0,4 10,15 0,90,07 0,50,035 0,10,021 0,010,016 0,0050,015 0,0030,014 0,001

≤ 0,013 0,0001

NOTA Para sistemas internos con equipos con niveles de soportabilidad al impulso inferiores a los estándar, se asignara un valor de PMS = 1

Cálculo de la probabilidad de dañoPU probabilidad de lesiones a seres vivos a causa de tensiones de toque o paso

por descargas sobre las acometidas de servicio

Cuando los DPSs no cumplen los requerimientos de equipotencialización de la NTC 4552-3, PU tomará el valor de PLD

Cuando los DPSs cumplen los requerimientos de equipotencialización de NTC 4552-3, PU será el menor valor entre PDPS y el valor PLD


Probabilidad de daño PLD en sistemas internos en función de la resistencia del apantallamiento Rs y la tensión soportable Uw del cable

Tipo de acometidaUW

[kV]5 < Rs ≤ 20

[Ω/km]1 < Rs ≤ 5[Ω/km]

Rs ≤ 1[Ω/km]

Cable apantallado

1,52,546

10,950,90,8

0,80,60,30,1

0,40,20,040,02

Cable NO apantallado 1

RS (Ω/km): resistencia del apantallamiento del cable.

Cálculo de la probabilidad de dañoPV probabilidad de daños físicos a causa de descargas directas en las acometidas

de servicios

Cuando los DPSs no cumplen los requerimientos de equipotencialización de la NTC 4552-3, PV tomará el valor de PLD

Cuando los DPSs cumplen los requerimientos de equipotencialización de NTC 4552-3, PV será el menor valor entre PDPS y el valor PLD

Cálculo de la probabilidad de dañoPW probabilidad de daño de sistemas internos a causa de descargas directas en

las acometidas de servicios

Si no hay DPSs coordinados, PW tomará el valor de PLD

Si hay DPSs coordinados, PW será el menor valor entre PDPS y el valor PLD

Cálculo de la probabilidad de dañoPZ probabilidad de daño de sistemas internos a causa de descargas cercanas a las

acometidas de servicios

Si no hay DPSs coordinados, PW tomará el valor de PL1

Si hay DPSs coordinados, PW será el menor valor entre PDPS y el valor PL1


Valores de PL1 en función de la tensión soportable al impulsos tipo rayo Uw del equipo y la resistencia de la pantalla del cable RS

UW

[kV]Sin

pantalla

Pantalla no conectada a barra equipotencial a la cual esta conectada el

equipo

Apantallamiento y equipo unido a barra equipotencial

5 < Rs ≤ 20[Ω/km]

1 < Rs ≤ 5[Ω/km]

Rs ≤ 1[Ω/km]

1,52,546

10,40,20,1

0,50,20,10,05

0,150,060,030,2

0,040,020,0080,004

0,020,0080,0040,002

Rs: resistencia de la pantalla del cable (Ω/km).

CÁLCULO DE LA CANTIDAD DE PÉRDIDAS

R = N x P x L


[1/año]



[pérdidas/año]

Tipos de pérdidas

L

Vidas humanasL1

L2

L3

L4

Servicio público

Patrimonio cultural

$$$

LtPérdidas debido a lesiones por tensiones de paso y contacto.

LfPérdidas debido a daños físicos.

LoPérdidas debido a fallas en sistemas internos.

LALBLCLMLULVLWLZ

Cálculo de la cantidad de pérdidasL1 – Pérdida de vidas humanas

El valor de Lt, Lf y Lo puede ser determinado en términos delnúmero relativo de víctimas, como lo indica la siguiente ecuación:

LX = (np/nt) * (tp / 8 760)

en donde:np = Número de posibles personas en peligro (víctimas);nt = Número total de personas esperadas en la estructura;tp = Tiempo en horas al año de permanencia de las personas en el lugar peligroso. Fuera de la estructura se evalúa únicamente Lt; En el interior de la estructura se evalúa (Lt, Lf y Lo)


Valores promedio típicos de Lt, Lf y Lo

Tipo de estructura Lt

Todos los tipos – personas dentro de la estructura 10-4

Todos los tipos – personas fuera de la estructura 10-2

Tipo de Estructura Lf

Hospitales, hoteles, edificios civiles 10-1

Industrial, comercial, escuelas 5 × 10-2

Entretenimiento público, Iglesias, museos 2 × 10-3

Tipo de Estructura Lo

Riesgo de explosión 10-1

hospitales 10-3


Factores para el cálculo de pérdidas

ra, ru = Factor reductor de pérdida de vidas por características del suelo o terreno

rp = Factor reductor de pérdida debido a daños físicos el cual depende de medidas de protección tomadas para reducir las consecuencias de incendio

rf = Factor reductor de pérdida debido a daños físicos el cual depende del riesgo de fuego de la estructura

hZ = Factor de incremento de pérdida debida a daños físicos por presencia de condiciones especiales peligrosas



Valores de factores de reducción ra y ru en función del tipo suelo o piso

Tipo de SuperficieResistencia de contacto

[KΩ] (1) ra y ru

Agricultura, concreto ≤ 1 10-2

Mármol, cerámica 1 - 10 10-3

Gravilla, tapete 10 - 100 10-4

Asfalto, madera, linóleo ≥ 100 10-5

(1) Valores medidos entre 400 cm2 electrodos con una fuerza de 500 N y un puntoinfinito



Valores de factores de reducción rp en función de las medidas de prevención para reducir las consecuencias de fuego

Medida de prevención r p

Sin medida de prevención 1

Una de las siguientes prevenciones: Extintores manuales; instalaciones de alarmamanual; hidrantes, compartimientos contra fuego; rutas de evacuación 0,5

Una de las siguientes prevenciones: Extintores automáticos; instalaciones dealarma automática (*) 0,2

(*) Solo si esta protegida contra sobretensiones o otros daños y tiempo de respuestade los bomberos menor a 10 min.Si más de una de estas medidas de provisión se aplican, es necesario tomar el valor masbajo entre los calculados individualmente. En una estructura con riesgo de explosión rp = 1.



Valores del factor de reducción rf en función del riesgo de fuego en la estructura

Riesgo de fuego rf

Explosión 1

Alto 10-1

Ordinario 10-2

Bajo 10-3

Ninguno 0



Valores de factor de incremento hz en función de la cantidad de pérdidas en presencia de situaciones especiales de peligro

Clase especial de riesgo hz

Sin riesgo especial 1

Nivel bajo de pánico (Edificación de dos pisos con un número no mayor a 100 personas) 2

Nivel medio de pánico (Edificaciones diseñadas para eventos culturales o deportivos, con un número de participantes entre 100 y 1 000 personas) 5

Dificultad de evacuación (edificación con personas inmovilizadas) 5

Nivel alto de pánico (Edificaciones diseñadas para eventos culturales o deportivos, con un número de participantes superiores a 1 000 personas) 10

Peligro por ambiente alrededor 20

Contaminación del ambiente alrededor 50

Cálculo de la cantidad de pérdidasL1 – Pérdida de vidas humanas - resumen

Tipo de pérdida L1 Valor

Estimación Tabla

LA ra Lt Lt

LB rp ⋅ hZ ⋅ rf ⋅ Lf Lf

LC (np / nt) ⋅ (tp / 8 760) LC = Lo

LM (np / nt) ⋅ (tp / 8 760) LM = Lo

LU ru Lt Lt

LV rp ⋅ hZ ⋅ rf ⋅ Lf Lf

LW (np / nt) ⋅ (tp / 8 760) LW = Lo

LZ (np / nt) ⋅ (tp / 8 760) LZ = Lo

Cálculo de la cantidad de pérdidasL2 – Pérdida inaceptable del servicio público

Los valores de Lf y LO pueden ser determinadas en términos del monto relativo de las posibles pérdidas así:

Lx = (np / nt) * (t / 8 760)

en dondenp = Número promedio de posibles usuarios afectados (usuarios

no atendidos)nt = Número total de usuariost = Período en horas anuales de pérdida del servicio).

Cálculo de la cantidad de pérdidasL2 – Pérdida inaceptable del servicio público

Se pueden asumir valores medio de Lf y Lo, para todos los tipos deacometidas cuando la determinación de np, nt y t es incierta odifícil de obtener

Tipo de servicio Lf Lo

GAS, ACUEDUCTO 10-1 10-2

TV, TLC, SUMINISTRO DE POTENCIA 10-2 10-3

Cálculo de la cantidad de pérdidasL2 – Pérdida inaceptable del servicio público - resumen

Tipo de pérdida L2 ValorEstimación

Tabla

LB rp * rf * Lf Lf

LC np / nt * t / 8 760 LC = Lo

LM np / nt * t / 8 760 LM = Lo

LV rp * rf * Lf Lf

LW np /nt ⋅ t/ 8 760 LW = Lo

LZ np / nt ⋅ t / 8 760 LZ = Lo

Cálculo de la cantidad de pérdidasL3 – Pérdida de valor cultural irremplazables

Los valores de Lf pueden ser determinados en términos del monto relativo de posibles pérdidas así:

Lf= c / ct

en dondec = valor medio de posibles pérdidas en la estructura (ej: el valor

asegurable de posibles pérdidas de bienes)

ct = valor total de la estructura (ej: valor asegurable de todos los bienes)

Cálculo de la cantidad de pérdidasL3 – Pérdida de valor cultural irremplazables - resumen

Tipo de pérdida L3 Valor Estimación

LB rp ⋅ rf ⋅ Lf Lf =10-1

LV rp ⋅ rf ⋅ Lf Lf =10-1

Cálculo de la cantidad de pérdidasL4 – Pérdidas económicas

El valor de Lt, Lf y Lo se puede determinar en términos del monto relativo de posibles pérdidas como se muestra a continuación:

Lx = c / ct

en donde

c = Es el valor de posibles pérdidas de la estructura (incluido su contenido y actividad relevante y sus consecuencias)

ct = Es valor total de la estructura (incluido su contenido y actividad relevante)

Cálculo de la cantidad de pérdidasL4 – Pérdidas económicas

Valores promedio típicos para Lt, Lf y Lo para pérdida económica L4

Tipo de Estructura Lt

Todos los tipos – personas dentro de la estructura 10-4

Todos los tipos – personas fuera de la estructura 10-2

Tipo de Estructura LfHospitales, industrias, museos, uso agrícola 0,5Hoteles, escuelas, oficinas, centros comerciales, Iglesias,bancos 0,2

otros 0,1Tipo de Estructura Lo

Riesgo de explosión 10-1

Hospitales, Industria, oficinas, hoteles, bancos 10-2

Museos, uso agrícola, escuelas, iglesias, centroscomerciales, 10-3

otros 10-4

Cálculo de la cantidad de pérdidasL4 – Pérdidas económicas - resumen

Tipo de pérdida L4 Valor

Estimación Tabla

LA ra Lt Lt LB rp rf hZ Lf Lf

LC c / ct Lo

LM c / ct Lo

LU ru Lt2 LtLV rp rf hZ Lf Lf

LW c / ct Lo

LZ c / ct Lo

Nota, para este caso debe considerarse:Lt = Pérdidas debido a lesiones por tensiones de paso y contacto fuera de la estructura.Lt 2 = Pérdidas debido a lesiones por tensiones de paso y contacto dentro de la estructura.

Cálculo de componentes de riesgo

DañoDescargas sobre la

EstructuraS1

Descargas cercanas a la

estructuraS2

Descargas sobre las acometidas de servicios

S3 (1)

Descargas cercanas a las acometidas de

serviciosS4 (1)

D1 RA = ND * PA * LA RU = (NL + NDa)* PU * LU

D2 RB = ND * PB * LB RV = (NL + NDa) * PV * LV

D3 RC = ND * PC * LC RM = NM * PM * LM Rw = (NL + NDa)* PW * LW Rz = (NI - NL)* Pz * Lz

1) Si la línea tiene más de una sección (aérea, subterránea, apantallada, sin apantallamiento), el valorde RU, RV, RW y Rz serán la suma de los valores RU, RV, RW y Rz pertinentes a cada sección de la línea.En caso de que a la estructura lleguen más líneas conectadas a través de diferentes rutas, el cálculose debe hacer para cada línea.

NOTA 1 Las componentes LX varían de acuerdo con el tipo de riesgo a evaluar (R1, R2, R3, R4)NOTA 2 Para el cálculo de RZ si (NI - NL) ≤ 0 entonces RZ = 0

Análisis económico de pérdidas R4 - Anexo G IEC 62305-2

El costo total de las perdidas puede ser calculado por la siguiente ecuación

LC

( ) ( ) ( ) ( )L A U A B V A B S C C M W Z SC R R C R R C C C C R R R R C= + × + + × + + + + + + + ×

Es el costo de los animales

Es el costo de los sistemas internos

Es el costo de la edificación

Es el costo del contenido de la edificación

AC

SC

BC

CC


El costo total de las pérdidas residuales al implementar las medidas de protección se calcula como

Donde se refiere a la componente de riesgo X recalculada de acuerdo con las medidas de protección adoptadas

RLC

( ) ( ) ( ) ( )* * * * * * * *RL A U A B V A B S C C M W Z SC R R C R R C C C C R R R R C= + × + + × + + + + + + + ×

*XR


El costo promedio anual de las medidas de protección puede ser calculado por medio de la ecuación:

Donde:costo de las medidas de proteccióntasa de interéstasa de amortizacióntasa de mantenimiento

Como simplificación conservativa puede asumirse que el costo anual de las medidas de protección considerando el mantenimiento a 10 años es el 12.5% del costo de las medidas.

( )PM PC C i a m= × + +

PMC

PC

iam


El ahorro anual de dinero es entonces:

( )L PM RLS C C C= − +

La protección es adecuada por balance costo / beneficio si :

0S >

0S >

EJEMPLO DE CÁLCULO DE LA NORMAVALIDACIÓN HERRAMIENTA IEBRIESGO

Ejemplo H.2 IEC 62305-2

0S >

0S >

Ejemplo H.2 IEC 62305

0S >

Ejemplo H.2 IEC 62305Cálculo de R1 IEBRiesgo

DISEÑO DEL SISTEMA DE PROTECCIÓN EXTERNO

Diseño del sistema de protección externo

El sistema de protección externo está compuesto por tres elementos principales:

•Sistema de captación encargado de realizar la interceptación del impacto del rayo.

•Sistema de conductores bajantes, encargado de conducir de manera adecuada y segura la corriente rayo al sistema de puesta a tierra.

•Sistema de puesta a tierra, encargado de dispersar y disipar adecuadamente en el terreno la corriente de rayo.

Diseño del sistema de protección externoUbicación de puntas

El método más utilizado para establecer la ubicación de las puntases el método de la esfera rodante el cual es la aplicación práctica delmodelo electrogeométrico.

Nivel de protecciónRadio de la esfera (rSC)

[m]Nivel I 35Nivel II 40Nivel III 50Nivel IV 55

La norma NFPA plantea para edificaciones un radio de 45 my para edificaciones con riesgo de explosión de 30 m.

Diseño del sistema de protección externoUbicación de puntas – aspectos clave

•Rango de alturas típico, mínimo 0.3, 0.6, 1, 1.5, 2 m

•Puntos estratégicos por altura y cubrimiento

•Estética (conciliar con arquitecto) menor altura - más puntas

•Distancia máxima a bordes de muro recomendada 0.6 m

•Concepto altura inútil

•Ubicación de la bajante

Diseño del sistema de protección externoUbicación de puntas – concepto altura inútil


En la práctica el proceso para determinar gráficamente la ubicación de las puntas es iterativo y requiere tomar muchos ángulos o trazas de la edificación para cubrir todas las posibilidades. El procedimiento habitual es:

1. Utilizar un software de dibujo 3D o en su defecto tomar varias vistas 2D de la edificación

2. Generar una esfera o circunferencia con un radio de acuerdo con el nivel de protección

3. Tomar la esfera y moverla por la edificación analizando los puntos más críticos, en 2D se requiere mover la circunferencia por todas las vistas disponibles de la edificación

4. La identificación de puntos críticos exige cubrir varios ángulos5. Instalar las puntas considerando los puntos críticos6. Tomar de nuevo la esfera o circunferencia y recorrer de nuevo el modelo 3D o

vistas 2D y verificar que la edificación esté protegida.

Diseño del sistema de protección externoIEBRAYO

Ingeniería Especializada ha desarrollado un programa que aplica el método electrogeométrico y evalúa estadísticamente la efectividad del sistema de apantallamiento externo, el programa considera lo siguiente:

• Modelo tridimensional de la edificación• Aplicación del método electrogeométrico• Simulación estadística, con una cantidad de rayos en 100000 años de acuerdo con la DDT y al área de influencia de la edificación• Se evalúan las descargas que impactan el sistema de captación y las que impactan en los elementos a proteger teniendo en cuenta la corriente de diseño con lo cual se da una efectividad del sistema de apantallamiento externo.

La efectividad se compara con los parámetros del nivel de protección, en caso de ser menor se rediseña la ubicación de los elementos de captación.

Diseño del sistema de protección externoIEBRAYO Simulación inicial

Diseño del sistema de protección externoIEBRAYO Simulación final

Diseño del sistema de protección externoBajantes

Las bajantes deben ser ubicadas de manera tal que a partir del punto deimpacto del rayo hasta tierra se cumplan los siguientes requisitos:

a) Existencia de varios caminos paralelos para la corriente, parainstalaciones pequeñas el número mínimo de bajantes es 2

b) La longitud de los caminos de corriente sea mínima.

c) La equipotencialización a partes conductoras de la estructura,elementos a menos de 1.8 m de las bajantes

d) Los ángulos que forman los conductores no deben ser menores a 90 yel radio de curvatura no debe ser inferior a 200 mm de acuerdo con loindicado en la Figura 64

e) donde se requiera debido a riesgo de fuego deben estar aisladas de lasuperficie 0.1 m o utilizar conductores de sección mínima de 100 mm2

Diseño del sistema de protección externoBajantes

CL

CL

R

Ángulo de 90°(mínimo)

Radio de curvatura200 mm (mínimo)

Tipo de Nivel de Protección

Distancia Típica

Promedio [m]I 10II 10III 15IV 20

Diseño del sistema de protección externoSistema de puesta a tierra

Diseño del sistema de protección externoRequerimiento electrodos

Longitud mínima l1 de cada electrodo de acuerdo con la clase del NPR

100

80

70

60

50

40

30

20

10

0

0 500 1000 1500 2000 2500 3000

ρ [Ω m]

l

Clase III - IV

90

Clase II

Clase I

1

Diseño del sistema de protección externoMateriales y requisitos de componentes

Mínimo espesor para cobertizos metálicos o tuberías metálicas en sistemas de captación

Clase de SIPRA Material

Espesor a

(mm)Espesor b

(mm)

I a IV

Plomo - 2,0Acero (inoxidable

galvanizado) 4 0,5

Titanio 4 0,5Cobre 5 0,5

Aluminio 7 0,65Zinc - 0,7

a previene perforaciones, puntos calientes o ignición.b sólo para láminas metálicas si no es importante prevenir perforaciones, puntos calientes o ignición.

Diseño del sistema de protección

externoMateriales y requisitos de componentes


Material ConfiguraciónMínima área

cuadriculada8)

(mm2)Comentarios

Cobre

Cinta sólidaAlambre 7)

TrenzadoAlambre 3),4)

505050

200

2 mm min. de espesor8 mm de diámetro1,7 mm min. de diámetro por hilo16 mm de diámetro

Cobrerecubierto deplata 1)

Cinta sólidaAlambreTrenzado

505050

2 mm min. de espesor8 mm de diámetro1,7 mm min. de diámetro por hilo

AluminioCinta sólidaAlambreTrenzado

705050

3 mm min. de espesor8 mm de diámetro1,7 mm min. de diámetro por hilo

Aleación dealuminio

Cinta sólidaAlambreTrenzadoAlambre 3)

505050

200

2,5 mm min. de espesor8 mm de diámetro1,7 mm min. de diámetro por hilo16 mm de diámetro

Acerogalvanizadoen caliente 2)

Cinta sólidaAlambreTrenzadoAlambre 3),4)

505050

200


Aceroinoxidable 5)

Cinta sólida 5)

Alambre 5)

TrenzadoAlambre 3),4)

505070

200


Diseño del sistema de protección

externoMateriales y requisitos de componentes


1) Recubrimiento en caliente o galvanizado, espesor mínimo de la capa de 1 µm.

2) El recubrimiento debería ser liso, continuo y libre de impurezas, espesormínimo de la capa de 50 µm.

3) Aplicable sólo para varillas tipo bayoneta. Para aplicaciones donde la tensiónmecánica como la carga del viento no son determinantes, un de diámetro , unavarilla tipo bayoneta de de longitud máxima con una fijación adicional se puedeusar.

4) Aplicable sólo a varillas de tierra con alma de plomo.

5) Cromo ≥ 16 %, níquel ≥ 8 %, carbón ≤ 0,07 %.

6) Para acero inoxidable incrustado en concreto, y/o en contacto directo conmaterial inflamable, los tamaños mínimos deberían ser aumentados a 78 mm2 (de diámetro) para alambre y 75 mm2 (espesor mínimo de ) para cinta sólida.

7) 50 mm2 ( de diámetro) se puede reducir a 28 mm2 ( de diámetro) en ciertosusos donde la fuerza mecánica no es un requisito esencial. Se deberíaconsiderar, en este caso, reducir el espacio entre los aseguradores.

8) Si aspectos térmicos y mecánicos son importantes, estas dimensiones sepueden aumentar a 60 mm2 para cinta sólida y a 78 mm2 para alambre.

9) La sección transversal mínima para evitar que se derrita es 16 mm2 (cobre), 25mm2 (aluminio), 50 mm2 (acero) y 50 mm2 (acero inoxidable) para una energíaespecífica de 10 000 kJ/Ω. Información adicional véase el Anexo D.

10) El espesor, el ancho y el diámetro son definidos en 10 %.


Materiales, configuraciones y dimensiones mínimas de los electrodos de tierra

Material Configuración

Dimensiones mínimas

ComentariosVarilla

[∅ mm]Conductor Placa [mm]

Cobre

Trenzado 3 50 mm2 diámetro mín. de cada trenza

Redondo sólido 3 50 mm2 diámetroCinta sólida 3 50 mm2 espesor mín.Redondo sólido 15 8

Tubería 20Placa sólida 500 x 500 2mm espesor mín. del muro

espesor mín.

x de sección

Longitud mín. de la config.cuadriculada:

Placa cuadriculada 600 x 600



Material Configuración

Dimensiones mínimas

ComentariosVarilla

[∅ mm]Conductor Placa [mm]

Acero

Redondo sólido galvanizado 1,2 16 9 10mm diam.Tubería galvanizada 1,2 25 espesor mín. del muroCinta sólida galvanizada 1 90 mm2 espesor mín.Placa sólida galvanizada 1 500 x 500 espesor mín.Placa cuadriculada galvanizada 1 600 x 600 x de sección

Redondo sólido recubierto en cobre 4 14 250 µm long. mín. radial

Redondo desnudo 5 diam. Recubrimiento de cobre 99,9 %

Cinta sólida galvanizada o desnuda 5,6 75 mm2 Contenido de cobreTrenzado galvanizado 5,6

50 x 50 x 370 mm2 espesor mín.

Perfil cruzado galvanizado 1 Diámetro mín. de cada trenza:

Acero

inoxidable7

Lazo cerrado sólido

Cinta sólida15

diam.

100 mm2 espesor mín.



1) El recubrimiento debe ser fino, continuo y libre de impurezas, con un espesor mínimo de 50 µmpara una forma redonda y 70 µm para material plano.

2) Los hilos deben ser elaborados a máquina antes de la galvanización.

3) Puede además ser recubierto de estaño.

4) El cobre debería ser unido intrínsicamente al acero.

5) Únicamente permitido cuando esta completamente embebido en concreto.

6) Únicamente permitido cuando esta correctamente conectado al menos cada con elreforzamiento de acero de los cimientos.

7) Cromo ≥ 16 %, níquel ≥ 5 %, molibdeno ≥ 2 %, carbón ≤ 0.08 %

8) En algunos países es permitido

9) La puesta a tierra en punta es usada en algunos países para conectar la bajante al punto dondeentra al terreno.


Mínimas secciones de los conductores que conectan barras equipotenciales o que conectan barras equipotenciales con el sistema de puesta a tierra

Clase de SIPRA Material Sección transversalmm2 (AWG)

I al IVCobre 14 (4)

Aluminio 22Acero 50

Clase de SIPRA Material Sección transversal

mm2 (AWG)

I al IVCobre 5 (10)

Aluminio 8Acero 16

Dimensiones mínimas de los conductores que conectan instalaciones internas metálicas a la barra equipotencial

Materiales y requisitos de componentes - Corrosión

Material

Uso Corrosión

Al aire libre Enterrado En concreto Resistencia Acelerada por

Destruida por

reacción galvánico

con:

CobreSólido

Trenzado

Sólido

Trenzado

Como cubierta

Sólido

Trenzado

Como cubierta

Bueno en muchos ambientes

Componentes sulfúricos

Materiales orgánicos

-

Acero galvanizado en caliente

Sólido

TrenzadoSólido

Sólido

Trenzado

Aceptable en Aire, en concreto y en suelos benignos

Altas concentraciones de cloruro

Cobre

Acero Inoxidable

Sólido

Trenzado

Sólido

Trenzado

Sólido

Trenzado

Bueno en muchos ambientes

Altas concentraciones de Cloruro

-

Aluminio Sólido Inadecuado Inadecuado

Bueno en atmósferas con bajas concentraciones de cloruros y sulfuros

Soluciones Alcalinas Cobre

PlomoSólido

Como cubierta

Sólido

Como cubiertaInadecuado

Bueno en atmósferas con altas concentraciones sulfatos

Sólidos ÁcidosCobre y acero inoxidable

En donde:

depende del nivel de protección del sistema de protección contra rayos

depende del flujo de corriente por los conductores bajantes

depende del aislamiento entre las partes

es la longitud en metros, a lo largo del elemento captador o elconductor bajante, medido desde el punto de distancia de separaciónbajo consideración y la unión equipotencial más cercana.

El aislamiento eléctrico entre los pararrayos o las bajantes respecto a partesmetálicas internas, sistemas eléctricos, líneas de telecomunicaciones a serprotegidas, puede ser logrado mediante distancias de separación S entre laspartes así

Diseño del sistema de protección externoAislamiento eléctrico del sistema de protección NTC 4552

( )mlkkkSm

ci>

ik

ck

mk

l

Diseño del sistema de protección externoAislamiento eléctrico del sistema de protección NTC 4552

Clase de SIPRA ki

I 0,08II 0,06

III - IV 0,04

Número de bajantesn

kc

1 12 1 … 0.5

4 o más 1 … 1/n

Material kmAire 1Concreto 0,5

NOTA Cuando hay algunos materiales aislantes en serie, es una buena práctica utilizar elvalor más bajo de km

NOTA El uso de otros materiales aislantes está bajo consideración

Diseño del sistema de protección externoRecomendaciones de montaje NFPA 780

DETALLES DE MONTAJES

APANTALLAMIENTO DE SUBESTACIONES SEGÚN IEEE 998

APANTALLAMIENTO DE SUBESTACIONESObjetivo De Diseño

En subestaciones además de proteger las estructuras y equiposcontra los efectos de las descargas atmosféricas la prioridad esproteger el aislamiento. El objetivo de diseño es evitar queuna descarga impacte las fases y genere una tensión fase tierrao fase fase mayor al BIL ocasionando una falla del aislamiento yposteriormente una salida de la subestación.

APANTALLAMIENTO DE SUBESTACIONESEcuación de distancia crítica utilizada

La norma usa el modelo electrogeométrico corregidodesarrollado por Mousa y Srivastava.

65.08 Sm kIS =Donde:

es la distancia crítica en metros (radio de la esfera)

es la corriente crítica en kA

es igual a 1 para cables de guarda y 1.2 para mástiles y puntas captadoras

mS

SIk

APANTALLAMIENTO DE SUBESTACIONESCálculo de la corriente crítica

La corriente crítica se calcula para los barrajes soportados porequipos o aisladores tipo poste teniendo en cuenta su nivel deaislamiento con la expresión:

SSS Z

BILZ

BILI 2.2

2

1.1=

×=

donde es la impedancia característica del conductor enohmios y debe calcularse teniendo en cuenta efecto corona.

SZ

APANTALLAMIENTO DE SUBESTACIONESCálculo de la corriente crítica

Para barrajes soportados por cadenas de aisladores la corrientecrítica se calcula teniendo en cuenta el voltaje crítico de flameocon la expresión

donde es la impedancia característica del conductor enohmios y debe calcularse teniendo en cuenta efecto corona.El CFO puede aproximarse para una longitud de la cadena deaisladores de w

SZ

SSS Z

CFOZCFOI 068.2

2

1.194.0=

××=

6 0.94 585VI w= ×

APANTALLAMIENTO DE SUBESTACIONESCálculo de la impedancia característica teniendo en cuenta el efecto corona

El efecto corona amplia virtualmente el conductor aumentando elárea lo cual aumenta la capacitancia y esto modifica la impedanciacaracterística del cable.

×

×

×=

rh

RhZ

CS

2ln2ln60

impedancia característica en [Ω]

altura promedio del conductor en [m] que puede calcularse como

radio corona en [m], calculado con la expresión:

radio del conductor en [m]

solución inicial:

SZ

hCR

r 02ln =−

××

O

C

CC E

VR

hR

CC VR 4102.1 −×=

APANTALLAMIENTO DE SUBESTACIONESAltura efectiva y separación del cable de guarda

La altura efectiva se calcula como:

Altura del castillete en [m]

Separación entre cables de guarda [m]eh

2d

22 dSSh mme −−=

mSd ×= 5.12 max

Máxima separación entre cables de guarda

APANTALLAMIENTO DE SUBESTACIONESRecomendaciones

•En una subestación no se deben presentar fallas del aislamiento pordescargas atmosféricas, el sistema de apantallamiento debe garantizar totalprotección, el método electrogeométrico aplicado adecuadamente logarantiza.•La corriente mínima de diseño es 2 kA, debido a la baja probabilidad de unadescarga con menor magnitud, la norma IEC 62305 recomienda 3 kA para lacorriente crítica de diseño más baja correspondiente una distancia crítica de20 m.•Al implementarse el método electrogeométrico mediante software de dibujodeben cubrirse los 360 grados tomando incrementos de ángulos que permitanidentificar los ángulos con las condiciones más críticas.•Una alternativa para la aplicación del modelo electrogeométrico es lasimulación estadística con efectividad del 100%•Los edificios de control y otras edificaciones de la subestación deben serprotegidos de acuerdo con las normas NTC 4552 y NFPA 780.

APANTALLAMIENTO DE SUBESTACIONESEjemplo subestación a 230 kV

Conductor de fase

r(m)

H(m)

L(m)

Hav(m)

Eo(kVp)

Zo(Ω)

BIL(kVp)

Ic(kA)

Narcissus 0.01652 16 44 15.12 1500 384.42 1050 6.01

APANTALLAMIENTO DE SUBESTACIONESEjemplo subestación a 230 kV

APANTALLAMIENTO DE SUBESTACIONES

Sistemas deprotección contra rayos

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