Este documento presenta un estudio sobre el voltaje inducido por una descarga eléctrica tipo rayo en una configuración de cuatro bajantes y una antena. Se realizan tres análisis: 1) cálculo del voltaje inducido total en la antena, 2) simulación del voltaje inducido en una acometida aérea abierta de 100m de longitud y 3) implementación de un interruptor controlado por tensión de 4kV entre las fases del tablero de distribución. Los resultados muestran picos máximos de voltaje indu

1. 1
Resumen— By means of a real scenario the fall of
a ray in a connection is modeled, where three
analyzes are carried out, the first calculating the
induced voltage, the second and third under
simulation of the software ATP draw.
Palabras Claves: Voltaje inducido, Onda tipo
rayo, tiempo de frente, tiempo de cola, bajante,
modelo pi, red abierta, pruebas de aislamiento,
equipotencialidad.
[1] OBJETIVO
Objetivo General
Determinar el comportamiento del voltaje
inducido producido por una descarga eléctrica
tipo rayo.
[2] ESCENARIO A EVALUAR
Las bajantes se relacionan con las letras A hasta D y
la antena se representa con la letra M.
Se procede a calcular ángulos y longitudes faltantes,
(longitud en metros y ángulos en grados).
Fig. 1. Configuración geométrica
[3] METODOLOGÍA
A. Punto uno, calcular el voltaje inducido total
que se genera en la antena, debido al impacto
de una descarga tipo rayo.
De acuerdo a lo anterior se utiliza:
La onda tipo rayo
i: Corriente pico en (kA)
k.: Factor de corrección para el corriente pico
t: Tiempo (µs)
ƭ1: Constante de tiempo de frente (µs)
ƭ2: Constante de tiempo de cola (µs)
Teniendo en cuenta el escenario se procede a
calcular el valor de Kp (L) mediante la utilización
de la siguiente fórmula:
Ejercicio Voltaje Inducido Por Una Descarga
Tipo Rayo y Simulación En ATP
Fernando Muñoz Cubillos 20161372060
Universidad Distrital Francisco José de Caldas – Facultad Tecnológica

2. 2
i: Corriente
µ: Permitividad del vacío
h: altura de las bajantes
m: Diámetro del conductor
n: Distancia entre la bajante y la antena.
Cte puntos
altura[
m]
distancia
[m]
ángulos
[°]
ángulos
[rad] Kp [H]
2,00E-07 AM 10 0,5 0 0,0000 9,23E-06
BM 10 9,65 45 0,7854 5,04E-08
CM 10 13,65 90 1,5708 0,00E+00
DM 10 9,65 45 0,7854 5,04E-08
9,33E-06kp total
Tabla 1. Cálculo de Inductancias
Teniendo el valor Kp (L) total se calculará el voltaje
inducido teniendo en cuenta que se utilizará la
corriente que pasa por la inductancia total.
Como en el escenario se tendrá en cuenta el diseño
de una señal impulso tipo rayo nivel II, se utiliza en
ATPdraw la fuente HEIDLER.
Fig. 2. Parámetros de la fuente HEIDLER
Es claro que se toma como valor de corriente el
valor de la razón de la primera descarga nivel II.
Fig. 3. Parámetros onda tipo rayo IEC62305-1
Fig. 4. Parámetros de la bobina
Entonces se calcula la señal de voltaje inducido
total producido por el primer stroke.
Fig. 5. Señal de Voltaje inducido primer Stroke
nivel II
Ahora se muestra el resultado de la simulación del
voltaje inducido provocado por las descargas
subsecuentes.
Fig. 6. Parámetros de la fuente HEIDLER
Fig. 7. Parámetros onda tipo rayo IEC62305-1,
Descargas subsecuentes, nivel II

3. 3
De acuerdo a la situación de la descarga
descendente se evidencia que el sistema planteado
de 4 bajantes (superior al mínimo permitido 2
bajantes esquinas opuestas) equidistantes a una
distancia no menor a 10 metros como lo exige la
norma NTC 4552 logra disipar la corriente por las
bajantes a tierra logrando que la tensión inducida
del primer stroke, figura 5 tenga un pico máximo de
350 kV aproximadamente.
Por otra parte, cabe citar que los valores de las
descargas subsecuentes presentan picos altos, pero
de muy corta duración.
B. Punto 2
Se tiene como escenario una acometida aérea
abierta desde transformador existente en poste,
aislamiento en aceite de 45 kVA, tensión de
operación 11400/208-120 V, dicha acometida
tiene una distancia de 100 m de longitud y una
altura de 12 m, el valor de resistencia de puesta
a tierra del trafo es igual a 10Ω y del tablero
general de distribución de 3Ω.
Fig. 8. Escenario de la acometida
Teniendo en cuenta los siguientes datos:
Transformador: 45 kVA 11400/208-120 V,
refrigerado en aceite.
Acometida: 100 m
Altura acometida: 12 m
Distancia de separación circuito abierto de baja
tensión: 0.40m
Carga de la casa 15 kVA
Factor de potencia: 0,8 (-)
Resistencia de puesta a tierra: trafo, tablero de
distribución 3Ω.
De acuerdo a lo anterior se calcula la regulación de
tensión con el fin de obtener el calibre del
conductor.
Cte[A]
conduct
or
[AWG]
longit
ud
[m]
longit
ud
[km] R[Ω/km] XL[Ω/km] Zef[Ω/km]
52 2 100 0,1 0,623 0,148 0,5872
cos(Q) sen(Q)
Tensión
sitema[V]
0,8 0,6 208
V FN [V] 3,05344 V Zef=rcosQ)+Xlsen(Q)
Vff [V] 5,28871 V V f-N= Z*L*I
%reg[%] 2,54 %
Tabla 2. Cálculo de regulación de tensión
Dando cumplimiento al reglamento técnico de
instalaciones eléctricas RETIE se obtiene una
regulación en baja tensión inferior al 3% utilizando
conductor en Cu 2 AWG.
Los datos del conductor se obtienen de las
referencias del fabricante, lo cual nos da el insumo
para calcular el modelo pi de las líneas de la
acometida y que solicita el simulador ATPdraw.
• Cálculo del modelo Pi de la acometida:

4. 4
distancia entre conductores 0,4 m
DME 0,504 m
RMG 3,563,E-01 m
RMG` 2,77,E-01 m
L 1,193E-07 H/m
R 6,230,E-04 Ω/m
C 1,6022E-09 F/m
MODELO PI DE LA LÍNEA
Tabla 3. Cálculo parámetros modelo pi de las líneas
Tensión [V] 120<0º
corriente [A] 4,16358E-05
FP 0,8(-)
Z [Ω]
CÁLCULO DE LA CARGA
120/(41,63<-36,84)=(2,3061+j1,72808)
Tabla 4. Cálculo de la carga de 15 kVA
Para obtener el modelo de transformador se utiliza
la norma NTC 819 con el fin de obtener datos de
pruebas estándar para un transformador trifásico 45
kVA aislado en aceite.
NTC 819 Valor
Potencia
3φ Nominal del
transformador
45kVA
Tensión de línea
Primario
11.4 kV
Tensión de línea
Secundario
208V
Corriente vacio
I 0[%]
3.5
Potencia en vacio
P 0[%]
0.4
Impedancia vacio
Z cc [%]
3
Potencia vacio
P cc [%]
1.577
Icc en baja [A] 5,20,E+04
Tabla 5. Datos trafo 45 kVA
Ahora mediante las siguientes ecuaciones y la tabla
5 se calculan los valores del modelo del
transformador:
Fig. 9. Parámetros del transformador 45 kVA
Fig. 10. Modelo en ATPdraw punto 2
Se procede a medir la tensión entre fases y tierra
en el secundario del transformador de 45 kVA.
Fig. 11. Tensión inducida secundario
transformador

5. 5
Fig. 12. Tensión inducida en el barraje
equipotencializado del tablero
Fig. 13. Corrientes hacia SPT tablero de
distribución y SPT del trafo.
De acuerdo a la simulación de la onda tipo rayo
nivel II las tensiones inducidas medidas entre fase y
tierra muestran un pico máximo de 290 kV
aproximadamente en 2 microsegundos y entre 8 y
10 milisegundos se evidencia un pico inferior de 40
kV, esto permite inferir que la tensión inducida en
las fases, lograría daños en el transformador a pesar
de que el sistema de puesta a tierra cumple con el
artículo 15 de RETIE, ya que la RPT recomendada
para subestación en poste es menor o igual a 10 Ω;
por otra parte el daño en el transformador sería
evidente tomando como base la norma NTC 836
donde enuncia el valor de aislamiento de un
transformador refrigerado en aceite en un sistema
de distribución a 11,4 kV, el nivel de aislamiento de
impulso es 95 kV.
Además, se debe recordar que los transformadores
no solamente deben tener un SPT, sino también,
DPS, los cuales en el ejercicio no se tienen en
cuenta, con el fin de limitar picos de tensiones
indeseados por descargas de tipo atmosférico.
En Figura 12 se puede observar un pico de voltaje
inducido de 352 kV, en el tiempo de en 440 µs y
posterior a este se registran dos picos más de 214 y
87 kV respectivamente.
En cuanto a las corrientes se puede observar en las
gráficas la importancia de un buen sistema de
puesta a tierra puesto que dichas corrientes
producidas por la onda tipo rayo son drenadas por el
sistema evidenciando que la RPT de 3 Ω
correspondiente a la del tablero está circulando una
corriente de un pico de 117 kA, mientras que por la
RPT del trafo de 10 Ω circula una corriente con un
pico de 35 kA.
Punto 3. Se implementa un interruptor entre fases
del tablero que funcione al cierre cuando este sea
igual o superior a 4 kV, el cual es el valor de la
prueba de aislamiento de tableros en baja tensión.
Fig. 14. Circuito con interruptor controlado por
tensión 4 kV
Fig. 15. Tensión inducida entre barraje de fase y
tierra del tablero
En la figura 15 se evidencia un pico de tensión
inducida entre el barraje de fase y tierra de 280 kV
los cuales son muy superiores a los valores del
interruptor por ende se concluye que se generaría
chispa la cual podría ocasionar incendios.

6. 6
Fig. 16. Corriente por SPT tablero y trafo
En la figura 16 se evidencia que mayor pico de
corriente de 92 kA fluye por la RPT menor, que
corresponde al tablero de baja tensión y un pico de
28 kA por la RPT del trafo.
Fig. 17. Corriente de retorno de tierra al
secundario del trafo
Es importante tener en cuenta que el valor pico de
corriente más alto es 20 kA, aunque no supera la
corriente de corto circuito que es de 52 kA se
presume que si generara un impacto en la vida útil
del trafo.
[4] REFERENCIAS
[1] AVENDAÑO, Carlos – IBÁÑEZ, Henry. “Las
puestas a tierra como elemento de seguridad
personal”. Revista Tecnura N° 8, primer semestre
del 2001, Universidad Distrital, Facultad Tecnológica
(Bogotá).
[2] REGLAMENTO TÉCNICO DE INSTALACIONES
ELÉCTRICAS, RETIE agosto del 2013.
[3] NORMA TÉCNICA COLOMBIANA NTC 4552-1-2,
Protección contra descargas eléctricas atmosféricas.
[4] IEC 62305-2, Lightning protection standard