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Tabla A.1. Valores tabulados de parámetros del rayo tomados de
mediciones de Brasil y Colombia
[2], [16]
Magnitud probabilística del
parámetro
Tipo de descarga
Denominación
CIGRE y
referencia
Parámetro
Magnitud del
parámetro
para NPRI
95 % 50 % 5 %
24 45,3 85,2 1
a
Desc. Neg. Corta (6) (2)
75 7 16,3 37,7 Desc. Sub. Neg. Corta PEAK, (6)I (kA)
200 4,6 35 250 Descarga Pos. Corta (4)
Rayo negativo
Qrayo (C)
300 20 80 350 Rayo positivo (4)
2,3 5,2 11,6 1a
Desc. Neg. Corta (6)
0,15 0,99 6,6 Desc. Sub. Neg. Corta (6)Qcorta (C)
100 2 16 150 1
a
Desc. Pos (4)
26 107 444 1
a
Desc. Neg. Corta (6)
0,5 6,3 78,9 Desc. Sub. Neg. Corta (6)W/R (kJ/Ω)
100 00 25 650 15 000 1
a
Desc. Pos. Corta (4)
11,9 19,4 31,4 1
a
Desc. Neg. Corta TAN G, (6)
10,1 29,9 88,6 Desc. Sub. Neg. Corta TAN G, (6)
di/dtmáx
(kA/µs)
20 0,2 2,4 32 1
a
Desc. Pos. Corta (4)
di/dt30/90 %
(kA/µs)
190 8,1 24,7 75 Desc. Sub. Neg. Corta S-30, (6)
3,1 5,6 9,9 1
a
Desc. Neg. Corta T10 (6)
0,2 0,7 2,3 Desc. Sub. Neg. Corta T10 (6)
Duración del
frente (µs)
3,5 22 200 1a
Desc. Pos. Corta (4)
19,7 53,5 145,2 1
a
Desc. Neg. Corta (6)
2,2 16,4 122,3 Desc. Sub. Neg. Corta (6)
Duración de la
cola (µs)
25 230 2 000 1
a
Desc. Pos. (4)
Intervalo del
tiempo (ms)
20
120
64
300 Múltiples Descargas Neg.
(2) (5)
(3)
Descargas Neg. (todas)
Descarga Neg. (Sin simple)
Duración total
de la descarga
(ms) 14 85 500 Descarga Pos. (4)
(1) Cherchiglia et., al. “Lightning Program Carried out by Compañía Energetica de Minas Gerais CEMIG”
Conference Proceedings Ground 98, Belo Horizonte, Brazil, 1998.
(2) Torres, H. “El Rayo, mitos, leyendas, ciencia y tecnología”, Editorial UNIBIBLOS, Bogotá, Colombia,
2002.
(3) Mello, J.C., et., al. “Enhancement of Morro do Cachimbo Station facilities for measurement of lightning
currents” Conference Proceedings, Ground 2000, Belo Horizonte, Brazil, 2000.
(4) Se toman los valores de CIGRE (Electra No. 41 o No. 69) por no existir mediciones confiables de
parámetros de polaridad positiva en zona tropical. Existen datos de redes de localización de rayos pero la
ecuación utilizada para el cálculo de corriente por esta tecnología esta condicionada a los valores de
CIGRE. Estas redes no entregan datos de di/dt. La investigación sobre estos datos para zona tropical se
encuentra en progreso.
(5) Younes C. “Evaluación de Parámetros del Rayo con Mediciones Terrestres y Satelitales para Colombia”
Tesis de Maestría, UN Bogotá, 2002. (Item III.4).
(6) Schroeder, M.A. “Modelo Eletromagnético Para Descontaminação De Ondas De Corrente De descargas
Atmosféricas: Aplicação Às Medições da Estação do Morro do Cachimbo” Tesis de Doctorado, U Federal
Minas Gerais, Brasil, 2001](https://image.slidesharecdn.com/ntc4552-1-181114200727/85/Ntc4552-1-33-320.jpg)
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29
Registros de magnitud de corriente negativa de retorno del rayo para un área tropical son
presentados por Lee et al. (1979) [7]. Las mediciones se realizaron en Kuala Lumpur, Malasia,
por medio del método de antena aérea en campo abierto. En esta investigación se desarrolló
un modelo teórico para la obtención de las corrientes de la primera descarga de retorno del
rayo, a partir de los datos de campo magnético obtenidos; en total se registraron 194 medidas
de campo magnético de la primera descarga de retorno de los rayos presentes en 11
tormentas. Con base en estos datos se estableció la distribución de probabilidad acumulada del
valor pico de la corriente de retorno del rayo, y se obtuvo que existe una probabilidad del 50%
de que se presente un valor de corriente pico mayor a 36 kA; así mismo, la rata de ascenso de
la corriente, obtenida entre el 10 % y el 90 % del valor pico, es típicamente entre 4 y 6 kA/µs
para esta zona.
Posteriormente, Lee et al., realizaron una comparación de los resultados obtenidos, con base
en la distribución de probabilidad acumulada, de Kuala Lampur, con mediciones de otras partes
del mundo; en la Tabla A.3 se muestran las medianas del valor pico de corriente para estas
investigaciones. De acuerdo con esta comparación Lee et al concluyen que, en general, existe
una buena concordancia entre los resultados, aunque las medidas fueron hechas por diferentes
métodos. En particular se presenta bastante concordancia entre los resultados obtenidos en
Malasia y los obtenidos por Anderson en Rodesia (actualmente Botswana en África central),
regiones tropicales con características climáticas y geográficas similares.
Tabla A.3. Medianas del valor pico de la corriente de retorno del rayo en diferentes
zonas del planeta (Adaptado de Lee et. Al. 1979)
País
Mediana
(kA)
Estados Unidos 23
Suiza 30
Suecia 30
Polonia 31
Malasia 36
Brasil 43
Rodesia 42
Colombia 43
1) Monte cachimbo, minas Gerais, Brasil 1996
2) Valor estimado mediante mediciones de campo eléctrico a menos de
100 km y aplicando el modelo MTL. [1]
Los datos de Brasil son el resultado de mediciones realizadas desde 1985 en la estación de
investigación Cachimbo, localizada 15 km al sur de Belo Horizonte, capital del estado de Minas
Gerais. Esta estación consta de una torre de 60 m localizada en la punta de un cerro a una
altitud de 1 400 m sobre nivel del mar. La adquisición de los datos se hace, a través de
transformadores de corriente cuyas señales son digitalizadas y luego registradas mediante
2 osciloscopios digitales. Los datos analizados para esta norma corresponden a 79 descargas
registradas entre 1985 y 1999 cuyo resumen se presentan en la Tabla A.4 [3-5].
Los datos de mediciones en Colombia corresponden a estudios realizados con diferentes
métodos de medición. La amplitud de la corriente de rayo se estimó mediante mediciones de
campo eléctrico vertical llevadas a cabo en 1995 [9], por medio de una antena de placas
paralelas, previamente calibradas en laboratorio empleando un osciloscopio digital de alta
resolución y equipo de medición asociado. Estos datos fueron comparados con los registrados
por el sensor de tormentas TSS-420 en operación en las instalaciones de la Universidad
Nacional en Bogotá. La distancia de impacto se calculó mediante la información suministrada
por la red colombiana de localización de rayos RECMA, [1].](https://image.slidesharecdn.com/ntc4552-1-181114200727/85/Ntc4552-1-36-320.jpg)
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30
Tabla A.4. Características de rayos medidos en Cachimbo, Brasil
Número total de rayos registrados 79
Número promedio de rayos por año 7
Incidencia de descargas negativas 64 (81 %)
Incidencia de descargas positivas 13 (16,5 %)
Descargas con polaridad indefinida 2 (2,5 %)
Descargas descendentes observadas (confirmadas) 33 (41,8 %)
Incidencia de descargas negativas descendentes 31 (39,2 %)
Incidencia de descargas positivas descendentes 2 (2,5 %)
La evaluación de los otros parámetros para Colombia es el resultado de análisis de los datos
de la red colombiana de localización de rayos RECMA, en operación desde 1997, [1], [2].
La Figura A.6 muestra resultados de probabilidad comparativos entre los valores dados por
CIGRE en 19791
de registros tomados en latitudes no tropicales, y los estimados en cuatro
países tropicales: Brasil (Estación Cachimbo, Estado de Minas Gerais, 1996), Rodesia
(Anderson, et. al., 1954), Malasia (Lee, et. al, 1979) y Colombia (Torres, et. al., 1995). Esta
gráfica permite ver la mayor probabilidad de magnitud de corriente negativa de retorno de rayo
en Zonas Tropicales (Brasil, Malasia, Colombia y Rodesia), respecto a zonas no tropicales
(CIGRE).
100,0%
Probabilidad
80,0%
60,0%
40,0%
20,0%
0,0%
1 10 100
Corriente pico de la descarga [kA]
CIGRE (1979)
PAAS, Colombía (1995)
Cachimbo, Brazil (1993)
Anderson, Rhodesia (1954)
Lee, Malaysia (1979)CIGRE (1979)
Figura A.6. Curva de probabilidad acumulada de corriente de retorno negativa, comparativas entre países
ubicados en zonas templadas (CIGRE) y ubicados en zonas tropicales
La relación de polaridad es una función del territorio considerado. Esta información para el caso
colombiano se presenta en la Figura A.7 y Figura A.8.
1
Valores que aún siguen vigentes en todo el mundo, para aplicaciones en ingeniería](https://image.slidesharecdn.com/ntc4552-1-181114200727/85/Ntc4552-1-37-320.jpg)
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31
80
Porcentaje[%]
70
60
50
40
30
20
10
0
Polaridad
Positivas Negativas
32,72
67,28
Figura A.7. Distribución de polaridades promedio multianules (1997 – 2001) para
el territorio Colombiano
Porcentaje[%]
70
60
50
40
30
20
10
0
80
90
100
10,1
89,9
76,9
73,7
60,0
40,0
26,3
68,8
31,2 29,5
70,5
84,2
15,8
23,1
Bogotá
Samana
Pto.Berrio
ElBagre
Nechi
Magangue
Barranquilla
Positivos Negativos
Figura A.8 Distribución de polaridades promedio multianules (1997 – 2001) para
algunas ciudades Colombianas
La polaridad de una descarga eléctrica atmosférica para un área considerada (aspecto
espacial), puede también afectar la estrategia de una óptima protección contra rayos. Desde
las mediciones realizadas por Berger en las décadas del 1950 a 1970, en Monte San Salvatore
(Italia - Suiza), se ha establecido que la distribución promedia de la polaridad de una descarga
eléctrica atmosférica varía entre 90 % y 95 % para polaridad negativa y entre 5 % y 10 % para
polaridad positiva.](https://image.slidesharecdn.com/ntc4552-1-181114200727/85/Ntc4552-1-38-320.jpg)
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32
Sin embargo, resultados de mediciones en diferentes redes de localización de rayos, como por
ejemplo la NLDN2
de los Estados Unidos, muestran que una considerable proporción de
descargas en época de invierno son de polaridad positiva. De los análisis de resultados con
antenas de detección de rayos, tipo DF (direction finding), en la Costa Este de los Estados
Unidos, Orville (1987), reportó un cambio de polaridad en las descargas, como función de la
temporada, con dominio de la polaridad positiva en la temporada de invierno. Orville también
reportó un incremento en la mediana de la corriente pico de retorno del rayo para esta
temporada [1].
Sugimoto et. al., en 1994, presentan mediciones de Corriente de Retorno del Rayo durante el
invierno en Japón, siendo este el período cuando la actividad de rayos es más severa,
encontrando una relación cercana de uno a uno entre las descargas negativas y las positivas,
pero ninguna diferencia estadística notable en las magnitudes de corriente.
Uman en su libro Lightning Discharge (p.54) [6] sostiene que las condiciones que favorecen la
aparición de Rayos de polaridad positiva son aparentemente grandes elevaciones, climas fríos,
latitudes altas y tormentas severas. Sin embargo, en los más de diez años de observaciones
realizadas con la antena TSS 420 por el grupo PAAS-UN de la Universidad Nacional de
Colombia y con la Red Colombiana de Localización de Rayos RECMA, se ha encontrado que
los rayos de polaridad positiva dependen no solamente de condiciones espaciales como
elevación, clima y latitud, sino de condiciones temporales como hora diaria de presentación de
la tormenta y periodo del año [1].
Con base en los datos de la RECMA, que cubre la región central colombiana, se puede
reportar que algunas zonas experimentan cambios de polaridad como función del tiempo,
medido en meses, mientras que en otras la proporción de descargas negativas - positivas,
permanece inalterable durante el año. Es así como se encontró, por ejemplo, que para la
población de Nechí, la fracción de descargas positivas varía de 0 % en enero a 95 % en junio
en el año 2000, respecto al total de descargas [2].
Mediante los datos multianuales del sensor TSS 420 se han realizado trabajos de evaluación
de la polaridad para diferentes zonas y durante varios años. Si bien, en general el
comportamiento de la zona central colombiana se caracteriza por una distribución típica de
polaridad 95 % negativas, 5 % positivas, se ha encontrado que en la zona sur del
departamento de Cundinamarca, límites con los departamentos de Tolima y Huila, la proporción
de polaridad varía en el tiempo [1].
NOTA El valor de los parámetros del rayo ha sido obtenido, generalmente, de mediciones en objetos altos (torres
instrumentadas) y sistemas de localización de rayos. La distribución estadística de los valores de la corriente pico del
rayo no considera el efecto de tales torres (descontaminación).
A.3 PARÁMETROS MÁXIMOS DEL RAYO PARA NIVEL I DE PROTECCIÓN CONTRA
RAYOS - NPR I
Los efectos mecánicos del rayo se relacionan con el valor pico de la corriente (I) y la energía
específica (W/R). Los efectos térmicos se relacionan con la energía específica (W/R) cuando se
presenta acople resistivo y con la carga (Q) cuando se presenta arco en la instalación.
Sobretensiones y arcos peligrosos causados por acoples inductivos están relacionados con el
valor medio de la pendiente de la corriente del rayo (di/dt).
2
Lightning Detection Network](https://image.slidesharecdn.com/ntc4552-1-181114200727/85/Ntc4552-1-39-320.jpg)
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34
A.3.2 Descargas cortas subsecuentes
El valor máximo del promedio de la pendiente di/dt, que se relaciona con el arco peligroso
causado por acople inductivo, se determina de las descargas cortas subsecuentes negativas
(Debido a que el 1 % de sus valores son mucho mayores que las primeras descargas negativas o
el correspondiente valor 10 % de las descargas positivas). De la Figura A5 (líneas 2 y 15) se
puede tomar el siguiente valor con probabilidad menor del 1 %:
I = 54 kA (A.6)
di/dt = 120 kA/µs (A.7)
Para un impacto corto subsecuente de acuerdo con la Figura A.1, estos valores dan una
primera aproximación para su tiempo de frente:
T1 = I/(di/dt) = 0,4 µs (A.8)
Su tiempo al valor medio puede ser estimado de la duración de la descarga subsecuente
negativa:
T2 = 50 µs, a partir de datos de energía especifica, distribución log-normal 1 %
A.4 VALORES MÍNIMOS DE LOS PARÁMETROS DEL RAYO
Debido a que los parámetros de la descarga eléctrica atmosférica en zona tropical difieren con
respecto a los de latitudes mayores, fue necesario re-evaluar el radio de la esfera rodante para
propósitos de diseño del sistema de protección externo. Para ello se determinó el valor de la
corriente pico definida por la probabilidad de ocurrencia de valores mínimos para cada NPR
(véanse las Tablas 6 y 7), con base en los parámetros de zona tropical presentados anteriormente.
Aunque tradicionalmente, el radio de la esfera rodante se ha asumido igual que el de la distancia
de impacto aproximada para las corrientes mínimas esperadas en cada NPR, se tuvo en cuenta
que tanto esta distancia como el punto final de impacto directo de la descarga sobre una
estructura dependen de su geometría y dimensiones, y no es el mismo para todos los puntos en
la estructura (esquinas, bordes, techo plano, puntas etc.) [12]-[15]. Por consiguiente, aunque no
es posible establecer valores de distancia de impacto válidos para todos los casos, se puede
implementar la opción más segura para el diseño de la protección externa, determinada por la
distancia de impacto para terreno plano 'S' (sin estructuras). Esta opción brinda mayor seguridad
porque constituye el valor mínimo que puede tomar la distancia de impacto, ya que la presencia
de estructuras en tierra propicia la formación de líderes ascendentes y por consiguiente aumenta
el valor de esta distancia.
Debido a lo anterior, el radio de la esfera rodante se estimó aplicando la expresión propuesta en
el trabajo doctoral [12] para los valores de corriente pico mínima en zona tropical dados en la
Tabla 6 para cada NPR. Dicha expresión es la siguiente:
780
93 ,
Ip,S = (A.9)
Al comparar los valores de la distancia de impacto para terreno plano ‘S’ con los usados
tradicionalmente para diseño por medio de la expresión St =10 Ip0,65
se encuentran valores
apreciablemente mayores para la expresión tradicional ‘St’, lo cual puede llevar a sobrestimar el
radio de la esfera rodante y como consecuencia diseñar un sistema de protección externo de
menor eficiencia a la deseada.](https://image.slidesharecdn.com/ntc4552-1-181114200727/85/Ntc4552-1-41-320.jpg)
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35
Mayores detalles acerca del tema, se pueden encontrar en la referencia [12].
A.5 NIVEL CERAUNICO Y DENSIDAD DE RAYOS A TIERRA
A.5.1 Variación espacial del nivel ceraunico
El NC fue evaluado en áreas de 30 km2
x 30 km2
, encontrándose zonas con valores entre 11 d y
289 d tormentosos año. La Figura A.9 muestra la variación de estos valores en la geografía
colombiana para el año 1999.
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
Latitud
Brasil
Perú
Ecuador
Panamá
Venezuela
30
60
60
60
60
60
60
90
90
90
90
120
120
120
150
150
150
180
210
180
180
180
210
210
240
240
250
Figura A.9. Mapa de ISO-Niveles ceraunicos para Colombia (Área de 30 km x30 km) – 1999
NOTA Este mapa de ISO-Niveles ceraunicos para Colombia fue elaborado por el convenio Universidad Nacional de
Colombia e Interconexión Eléctrica S.A. ESP, con base en el Sistema de Información de Descargas de ISA S.A. ESP,
en caso de alguna aclaración favor dirigirse a los autores.](https://image.slidesharecdn.com/ntc4552-1-181114200727/85/Ntc4552-1-42-320.jpg)
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36
A.5.2 Densidades típicas en Colombia
La evaluación Global de DDT para toda la geografía colombiana se hizo para áreas de 300 km2
x 300 km2
., para un total de 1393 km2
x900 km2
; sus resultados se muestran en la Tabla A.5 y
Figura A.10 Se presentan variaciones en valores desde 0,0012 hasta 11.4, con un valor de
media aritmética de 3 [strokes/km2
-año].
Tabla A.5. Actividad de rayos en la geografía colombiana entre 1977-1999.
Área = 1393x900 km
2
Año
Total
Strokes
DDT media
[strokes/km
2
-año]
1997 2.875.660 2,29
1998 2.828.774 2,25
1999 1.987.061 1,58
2000 1.147.459 0,91
2001 1.888.503 1,5
Respecto a la evaluación Global y considerando los resultados de evaluaciones de diferentes
sitios del mundo, es posible afirmar que la DDT es menos prevalente en el trópico que en el
sub-trópico [11]. Sin embargo, cuando se evalúa regionalmente, en áreas de 30 km2
x30 km2
,
se pueden encontrar, en la geografía colombiana (zona tropical), valores de DDT de
35 [strokes/km2
-año]. Una evaluación local en áreas menores, de 3 km2
x 3 km2
es el ideal para
propósitos de diseño de sistemas de protección contra rayos. Esta evaluación solo es obtenible a
través de los datos de un sistema de localización de rayos.
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
Latitud
Brasil
Perú
Ecuador
Panamá
Venezuela
-66,0
14,0
Bogotá D.C.
Samaná
El Bagre
1
1
1
2
2
2
3
4
3
3
4
5
5
6
7
8
9
Figura A.10. DDT Colombia 1999 (áreas 300 km
2
x 300 km
2
)](https://image.slidesharecdn.com/ntc4552-1-181114200727/85/Ntc4552-1-43-320.jpg)
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48
La temperatura de los conductores del SIPRA puede ser evaluada como sigue:
⎥
⎥
⎥
⎥
⎦
⎤
⎢
⎢
⎢
⎢
⎣
⎡
⎟
⎟
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎜
⎜
⎝
⎛
⋅γ⋅
ρ⋅α⋅
α
=θ−θ
wCq
R
W
exp 2
0
0
1
(D.7)
en donde
θ-θ0 = aumento de temperatura de los conductores [K]
α = coeficiente de temperatura del conductor [1/K]
W/R = energía especifica de los conductores [J/Ω]
ρ0 = resistencia óhmica especifica del conductor a temperatura ambiente [Ωm]
q = área de la sección transversal del conductor [m
2
]
γ = densidad del material [kg/m
3
]
Cw = capacidad térmica [J/kgK]
θs = temperatura de fusión [
o
C]
cs: = calor latente de fusión [J/kg]
En la Tabla D.2 se presentan los valores característicos de los parámetros físicos reportados
en la ecuación (D.7), para diferentes materiales usados en un SIPRA. La Tabla D.3 presenta, a
manera de ejemplo de aplicación de esta ecuación, el aumento de temperatura de conductores
fabricados de diferentes materiales, como una función de la W/R y del área de la sección
transversal.
La descarga típica de un rayo se caracteriza por un impacto de corta duración (valor del tiempo al
50 %, aproximadamente 100 µs) y un alto valor pico de corriente; bajo estas circunstancias, el
efecto piel debe también ser considerado. Sin embargo, en muchos casos prácticos asociados
con componentes de un SIPRA, las características de los materiales (permeabilidad magnética
dinámica de los conductores de un SIPRA) y las configuraciones geométricas (área de la sección
transversal del conductor de un SIPRA) reduce a niveles despreciables la contribución del efecto
piel al aumentar la temperatura del conductor.
La componente del rayo más relevante para estos mecanismos de calentamiento es la primera
descarga de retorno.
Tabla D.2. Características físicas de materiales típicos usados en componentes de un SIPRA
Material
Cantidad Aluminio Acero templado Cobre Acero inoxidable (*)
ρ0 [Ωm] 29.10
-9
120.10
-9
17,8.10
-9
0,7.10
-6
α [1/K] 4.10
-3
6,5.10
-3
3,92.10
-3
0,8.10
-3
γ [kg/m
3
] 2700 7700 8920 8.10
3
θs [o
C] 658 1530 1080 1500
Cs [J/kg] 397.10
3
272.10
3
209.10
3
-
Cw [J/kgK] 908 469 385 500
(*) no magnético
Tabla D.3. Aumento de temperatura para conductores de diferentes secciones como una función de W/R](https://image.slidesharecdn.com/ntc4552-1-181114200727/85/Ntc4552-1-55-320.jpg)
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49
Material
Aluminio Acero templado Cobre Acero inoxidable (*)
W/R [MJ/Ω] W/R [MJ/Ω] W/R [MJ/Ω] W/R [MJ/Ω]
Sección
Transv.
[mm
2
]
2,5 5,6 10 2,5 5,6 10 2,5 5,6 10 2,5 5,6 10
4 - - - - - - - - - - - -
10 564 - - - - - 169 542 - - - -
16 146 454 - 1120 - - 56 143 309 - - -
25 52 132 283 211 913 - 22 51 98 940 - -
50 12 28 52 37 96 211 5 12 22 190 460 940
100 3 7 12 9 20 37 1 3 5 45 100 190
(*) no magnético
D.4.1.2 Daño en el punto de acople térmico
El daño en el punto de acople térmico puede ser observado sobre todas las componentes de
un SIPRA sobre el cual se desarrolla un arco, por ejemplo sistemas de captación, vías de
chispa (Spark-Gaps), etc.
La fusión y erosión del material puede ocurrir en el punto de acople; de hecho, en el área de la
base del arco existe una entrada térmica alta del arco mismo, así como una concentración de
calentamiento óhmico debido a la alta densidad de corriente. Mucha de la energía térmica es
generada en o muy cerca de la superficie del metal. El calor generado en las inmediaciones del
área base es tan alto que puede ser absorbido por el material por conducción y el exceso se
pierde en fusión o vaporización del material o es irradiado. La severidad del proceso esta
relacionado con la amplitud de la corriente y la duración.
D.4.1.2.1 General
Se han desarrollado varios modelos teóricos para el cálculo de los efectos térmicos en el punto
de acople del canal de la descarga sobre superficies metálicas. En aras de lograr simplicidad,
este documento presenta solamente el modelo de caída de tensión ánodo – o – cátodo. La
aplicación de este modelo es particularmente efectiva para metales delgados. En todos los casos
los resultados son conservativos, debido a que el modelo postula que toda la energía inyectada
en el punto de acople de la descarga es usada para fusionar o vaporizar el material conductor,
despreciando la difusión de calor dentro del material. Otros modelos introducen la dependencia
del daño en el punto de acople de la descarga en la duración del impulso de la corriente.
D.4.1.2.2 Modelo de caída de tensión Ánodo – o- Cátodo
La energía de entrada W en la base del arco se asume como dada por la caída de tensión
ánodo-cátodo ua.c multiplicada por la carga Q de la corriente del rayo.
∫ ∫ ⋅==⋅= QuidtuidtuW acacac (D.8)
Como ua.c es prácticamente constante en el rango de corriente considerado aquí, la carga de la
corriente de rayo (Q) es la principal responsable por la conversión de energía en la base del
arco.
La caída de tensión en el ánodo-cátodo ua.c tiene un valor de pocas decenas de voltios.](https://image.slidesharecdn.com/ntc4552-1-181114200727/85/Ntc4552-1-56-320.jpg)
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Una aproximación simplificada asume que toda la energía desarrollada en la base del arco es
usada solo para fusión. La siguiente ecuación (D.9) usa esta suposición pero lleva a una
sobreestimación del volumen fusionado.
( ) susw
ac
CC
.
Qu
V
+θ−θγ
⋅
=
1 (D.9)
en donde
V = volumen del metal fusionado [m3
]
Ua.c = caída de tensión ánodo-cátodo (asumida como constante) [V]
Q = carga de la corriente del rayo [C]
γ = densidad del material [kg/m
3
]
cw = capacidad térmica [J/kgK]
θs = temperatura de fusión [
o
C]
θu = temperatura ambiente [o
C]
cs = calor latente de fusión [J/kg]
Valores característicos de los parámetros físicos reportados en esta ecuación, para diferentes
materiales usados en un SIPRA se presentan en la Tabla D.2.
Básicamente, la carga a ser considerada es la suma de la descarga de retorno y la corriente
continua del rayo; pruebas de laboratorio han revelado que los efectos de la carga de retorno
son de menor importancia si se compara con los efectos de la corriente continua.
D.4.2 Efectos mecánicos
Los efectos mecánicos causados por la corriente del rayo dependen de la amplitud y su
duración, así como de las características elásticas de la estructura mecánica afectada y de las
fuerzas de fricción actuando entre las partes de un SIPRA en contacto con otro, si este último
es relevante.
D.4.2.1 Interacción magnética
Las fuerzas magnéticas ocurren entre 2 conductores transportando corriente o si uno de los
conductores forma una esquina o un lazo.
Cuando una corriente fluye a través de un circuito, la amplitud de las fuerzas electrodinámicas
desarrolladas en varios sitios del circuito, depende tanto de la amplitud de la corriente del rayo
como de la configuración geométrica del circuito. Los efectos mecánicos de estas fuerzas, si
embargo, dependen no solo de su amplitud, sino de la forma general de la corriente y su
duración, así como de la configuración geométrica de la instalación.
D.4.2.1.1 Fuerzas electrodinámicas
Las fuerzas electrodinámicas desarrolladas por una corriente i fluyendo dentro del conductor
que tiene una longitud paralela l y una distancia d (lazo largo y pequeño) se muestran en la
Figura D.1 y pueden ser calculadas usando la siguiente ecuación:](https://image.slidesharecdn.com/ntc4552-1-181114200727/85/Ntc4552-1-57-320.jpg)
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51
( )
d
dti
d
dtitF
1
102
1
2
2720
⋅⋅=⋅⋅= −
π
μ
(D.10)
en donde
F(t) = fuerza electrodinámica [N]
i = corriente [A]
µ0 = permitividad magnética del aire (4π10
-7
H/m)
l: = longitud de los conductores [m]
d = distancia entre la sección recta paralela del conductor [m]
d
- ll α
i
Figura D.1. Arreglo general de dos conductores para el cálculo de fuerzas electrodinámicas
Un típico SIPRA consta de un arreglo simétrico de conductores, formando un ángulo de 90o
uno
con otro, con una abrazadera colocada cerca de la esquina, como se muestra en la Figura D.2. El
diagrama de esfuerzos para esta configuración se presenta en la Figura D.3. La fuerza axial
sobre el conductor tiende a halar el conductor hacia fuera de la abrazadera. El valor numérico
de la fuerza a lo largo del conductor horizontal, considerando un valor de corriente pico de 100 kA y
una longitud de un conductor vertical de 0,5 m, se muestra en la Figura D.4.
d
i ó -i](https://image.slidesharecdn.com/ntc4552-1-181114200727/85/Ntc4552-1-58-320.jpg)
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en donde
Z es la impedancia convencional de los terminales de conexión del sistema de puesta a tierra
Z1 es la impedancia convencional de puesta a tierra de partes externas o de líneas subterráneas
(Tabla E.1).
Z2 es la resistencia de la configuración de puesta a tierra de las líneas aéreas. Si la resistencia de
puesta a tierra del punto no es conocida, el valor de Z1 mostrado en la Tabla E.1 puede ser usado
(donde la resistividad es relevante en el punto de puesta a tierra).
NOTA Este valor es asumido en la formula anterior en cada punto de puesta a tierra. Si este no es el caso,
ecuaciones más complejas deben ser usadas.
n1 es el número total de partes externas o líneas que son subterráneas
n2 es el número total de partes externas o líneas que son aéreas
I es la corriente de rayo relevante para cada NPR considerado
Tabla E.1 Valores de impedancia convencional de puesta a tierra Z y Z1 de acuerdo con la
resistividad del suelo.
Z [Ω]
Impedancia convencional de puesta a tierra relativa a cada
NPR
ρ
[Ω⋅m]
Z1
[Ω]
I II III - IV
≤100 8 4 6 10
200 11 10 10 10
500 16 4 6 10
1000 22 15 15 15
2000 28 4 6 10
3000 35 20 40 60
NOTA Los valores reportados en esta tabla hacen referencia a la impedancia convencional de
puesta a tierra de un conductor enterrado, bajo una onda impulso (10/350μs)
Asumiendo como una primera aproximación que la mitad de la corriente de rayo fluye en los
terminales de conexión del sistema de puesta a tierra y que Z1=Z2, el valor de ke puede ser
evaluado para una parte externa conductora o para una línea como:
21
50
nn
,
kc
+
= (E.4)
Si las líneas entrantes (ej. líneas eléctricas o de telecomunicaciones) no se encuentran
apantalladas o dentro de ductos metálicos, cada uno de los n’ conductores llevan una parte
igual de la corriente de rayo
n
k
k e
e
′
=′ (E.5)](https://image.slidesharecdn.com/ntc4552-1-181114200727/85/Ntc4552-1-68-320.jpg)
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![NORMA TÉCNICA COLOMBIANA NTC 4552-1
71
[16] Visacro, S; Soares Jr, A; Schroeder, M. A. O; Cherchiglia, L. C. L; De Souza, V. J.:
"Statistical analysis of lightning current parameters: Measurements at Morro do
Cachimbo Station". Journal of Geophysical Research, Vol. 109, D01105, 2004](https://image.slidesharecdn.com/ntc4552-1-181114200727/85/Ntc4552-1-78-320.jpg)
Subido porErick Muñoz
Ntc4552 1
Este documento presenta la Norma Técnica Colombiana NTC 4552-1, la cual establece los principios generales para la protección contra descargas eléctricas atmosféricas (rayos) de estructuras, sus instalaciones y contenidos, así como de los servicios que entran a las estructuras. La norma excluye de su alcance sistemas de trenes eléctricos, vehículos, aeronaves, instalaciones marítimas y redes subterráneas o no conectadas a estructuras. Además, presenta definic
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- 5. NORMA TÉCNICA COLOMBIANANTC 4552-1 Página ANEXOS ANEXO A (Informativo) PARÁMETROS DEL RAYO .......................................................................................................23 ANEXO B (Informativo) FUNCIONES DE LOS PARÁMETROS DEL RAYO PARA PROPÓSITOS DE ANÁLISIS EN EL DOMINIO DEL TIEMPO..................................................................................................38 ANEXO C (Informativo) SIMULACIÓN DE LOS PARÁMETROS DEL RAYO PARA PROPÓSITOS DE PRUEBA ..41 ANEXO D (Informativo) PARÁMETROS DE PRUEBA PARA SIMULAR LOS EFECTOS DE LOS RAYOS SOBRE COMPONENTES DE UN SIPRA..............................................................................45 ANEXO E (Informativo) SOBRETENSIONES DEBIDAS A IMPACTOS DE RAYOS EN DIFERENTES PUNTOS DE LA INSTALACIÓN ...........................................................................................................60
- 7. NORMA TÉCNICA COLOMBIANANTC 4552-1 INTRODUCCIÓN Las descargas eléctricas atmosféricas o rayos son un fenómeno natural que varía con el espacio y con el tiempo y no existen actualmente dispositivos tecnológicos ni métodos capaces de evitarlos, pero sí de prevenirlos. Los rayos que impactan en las estructuras, las acometidas de servicios domiciliarios (energía, acueducto, telecomunicaciones) o cerca del suelo, son peligrosos para las personas, para los hogares, afectando su contenido e instalaciones. Por lo tanto debe ser considerada la aplicación de medidas de protección contra rayos. La necesidad de protección, las ventajas económicas de instalación de la protección y la selección de las medidas adecuadas para la protección se deben determinar en términos del manejo del riesgo. El método de manejo de riesgo se expresa en la NTC 4552-2. Los criterios para el diseño, la instalación y el mantenimiento de medidas de protección contra rayo se consideran dentro de tres grupos separados: Un primer grupo se refiere a las medidas de protección para reducir los daños físicos y el peligro de los seres vivientes dentro de una estructura, expresado en la NTC 4552-3. Un segundo grupo se refiere a las medidas de protección para reducir las fallas en los sistemas eléctricos y electrónicos de una estructura, expresados en la 4552-4 (por publicar). Un tercer grupo se refiere a las medidas de protección para reducir los daños físicos y fallas en la prestación de servicios que incorporan una estructura (principalmente eléctricos y las líneas de telecomunicación), expresados en la NTC 4552-5 (por publicar).
- 8. NORMA TÉCNICA COLOMBIANANTC 4552-1 1 de 71 PROTECCIÓN CONTRA DESCARGAS ELÉCTRICAS ATMOSFÉRICAS (RAYOS). PARTE 1: PRINCIPIOS GENERALES 1. ALCANCE Esta norma presenta los principios generales que deben seguirse en la protección contra rayos de: - Estructuras, incluyendo sus instalaciones y contenidos, así como a las personas. - Servicios que entran a la estructura Los siguientes casos están fuera del objeto de esta norma: - Sistemas de trenes eléctricos; - Vehículos, barcos, aeronaves, instalaciones en mar abierto; - Tuberías subterráneas de alta presión; - Redes de tuberías, energía y telecomunicaciones no conectadas a la estructura. 2. REFERENCIAS NORMATIVAS Los siguientes documentos normativos fueron tenidos en cuenta en la elaboración de la presente norma. Se recomienda aplicar las ediciones más recientes de los documentos normativos indicados a continuación. Los miembros de ICONTEC, la lEC y de la ISO mantienen registros de las normas internacionales actualmente válidas. NTC 2050:1998, Código Eléctrico Colombiano. lEC 60364, (All Parts) Electrical Installations of Buildings. lEC 60479, (All Parts) Effects of Current on Human Beings and Livestock lEC 61643-1:2005, Low-voltage Surge Protective Devices. Part 1: Surge Protective Devices Connected to Low-voltage Power Distribution Systems. Requirements and Tests. lEC 61643-12:2002, Low-voltage Surge Protective Devices. Part 12: Surge Protective Devices Connected to Low-voltage Power Distribution Systems. Selection and Application Principles.
- 9. NORMA TÉCNICA COLOMBIANANTC 4552-1 2 lEC 62305, (All Parts) Protection Against Lightning. IEEE C.62.41.1:2002, Guide on the Surge Environment in Low-Voltage (1 000 V And Less) AC Power Circuits. IEEE C.62.41.2:2002, Recommended Practice on Characterization of Surges in Low-voltage (1 000 V and Less) AC Power Circuits. IEEE C.62.45:2002, Recommended Practice on Surge Testing For Equipment Connected to Low- voltage (1 000 V and Less) AC Power Circuits 3. TÉRMINOS Y DEFINICIONES Para propósito de esta norma, se aplican las siguientes definiciones: 3.1 Acometida a ser protegida (Service to be Protected). Acometida conectada a una estructura para la cual se requiere protección contra los efectos del rayos 3.2 Apantallamiento magnético (Magnetic Shield). Conjunto de elementos metálicos que encierran el objeto a proteger, o parte de este, para reducir fallas en sistemas eléctricos y electrónicos. 3.3 Carga del rayo (Qrayo) (Flash Charge). Integral en el tiempo de la corriente de rayo para la duración completa del rayo. 3.4 Carga eléctrica de una descarga corta (Qcorta) (Short Stroke Charge). Integral en el tiempo de la corriente de rayo en una descarga corta. 3.5 Carga eléctrica de una descarga larga (Qlarga) (Long Stroke Charge). Integral en el tiempo de la corriente de rayo en una descarga larga. 3.6 Conductor blindado (Shielding Wire). Conductor metálico (alambre) usado para reducir daños físicos en acometidas, causados por el rayo. 3.7 Conexión equipotencial de rayo (Lightning Equipotential Bonding). Conexiones al SIPRA de piezas metálicas separadas por conexiones conductoras directas o por dispositivos de protección contra sobretensiones (DPS), empleadas para reducir las diferencias de potencial causadas por corrientes de rayo. 3.8 Corriente de rayo (i) (Lightning Current). Corriente que fluye en el punto de impacto. 3.9 Daño físico (Physical Damage). Daño a la estructura o al contenido de la misma debido a efectos mecánicos, térmicos, químicos y explosivos del rayo. 3.10 Descarga (Lightning Stroke). Descarga eléctrica atmosférica simple a tierra. 3.11 Descarga ascendente (Upward Flash). Rayo iniciado por un líder ascendente desde una estructura conectada a tierra hacia una nube. Una descarga ascendente consiste de una primera descarga larga con o sin múltiples descargas cortas sobrepuestas. Una o más descargas cortas pueden ser seguidas por una descarga larga. 3.12 Descarga corta (Short Stroke). Parte del rayo que corresponde a un impulso de corriente. Esta corriente tiene un tiempo medio T2 comúnmente menor a 2 ms, (véase la Figura A.1).
- 10. NORMA TÉCNICA COLOMBIANANTC 4552-1 3 3.13 Descarga descendente (Downward Flash). Rayo iniciado por un líder descendente de nube a tierra. La descarga descendente consiste en una primera descarga corta (Short Stroke), que puede estar seguida por otras descargas cortas subsecuentes. Una o más descargas cortas pueden estar seguidas por una descarga larga (Long Stroke). 3.14 Descarga larga (Long Stroke). Parte del rayo que corresponde a una corriente continua. El tiempo de duración Tlargo (tiempo del 10 % del valor en el frente al 10 % del valor en la cola) de esta corriente continua, es típicamente mayor de 2 ms y menor de 1 s (véase la Figura A.2). 3.15 Descarga nube tierra (Lightning Flash to Earth). Rayo de origen atmosférico entre nube y tierra que consiste en una o más descargas (Strokes). 3.16 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. 3.17 Dispositivo de protección contra sobretensiones transitorias del tipo conmutación de tensión. Un DPS que tiene una alta impedancia cuando no está presente un transitorio, pero que cambia súbitamente su impedancia a un valor bajo en respuesta a un transitorio de tensión. Ejemplos de estos dispositivos son: Los vía de chispa, tubos de gas, entre otros. 3.18 Dispositivo de protección contra sobretensiones transitorias del tipo limitación de la tensión. Un DPS que tiene una alta impedancia cuando no está presente un transitorio, pero que se reduce gradualmente con el incremento de la corriente y la tensión transitoria. Ejemplos de estos dispositivos son: varistores, diodos de supresión, entre otros. 3.19 Duración de corriente de descarga larga (Tlarga) (Duration of Long Stroke Current) Tiempo que dura la descarga larga (véase la Figura A.2). 3.20 Duración del rayo (T) (Flash Duration). Tiempo durante el cual la corriente del rayo fluye en el punto de impacto. 3.21 Energía específica de la corriente de descarga corta (Specific Energy of Short Stroke Current). Integral en el tiempo del cuadrado de la corriente de rayo para una descarga corta. NOTA La energía específica de una descarga corta es insignificante. 3.22 Energía específica del rayo (W/R) (Specific Energy). Representa la energía disipada por la corriente de rayo en una resistencia unitaria y se obtiene mediante la integral en el tiempo del cuadrado de la corriente de rayo para la duración completa del mismo. 3.23 Estructura a ser protegida (Structure to be Protected) Estructura para la cual se requiere protección contra efectos del rayo. NOTA Una estructura protegida puede ser parte de una estructura más grande 3.24 Falla del sistema eléctrico y electrónico (Failure of Electrical and Electronic System) Daños permanentes del sistema eléctrico y electrónico por causa de efectos electromagnéticos del rayo. 3.25 Impedancia a tierra convencional (Convencional Earthing Impedance). Relación de los valores pico de la tensión y corriente de puesta a tierra que, en general, no se producen simultáneamente.
- 11. NORMA TÉCNICA COLOMBIANANTC 4552-1 4 3.26 Impulso electromagnético del rayo IER (Lightning Electromagnetic Impulse LEMP) Campo electromagnético generado por la corriente del rayo, capaz de generar interferencia electromagnética NOTA La interferencia electromagnética incluye sobretensiones conducidas al equipo del sistema eléctrico y electrónico así como efectos directos del campo magnético sobre el equipo mismo. 3.27 Lesiones a seres vivos (Injuries of Living Beings). Pérdidas de facultades físicas, biológicas, psíquicas, incluida la vida, de personas o animales debidas a tensiones de paso o de contacto causados por el rayo. 3.28 Máxima tensión de operación continua (Maximum Continuous Operating Voltage). Máxima tensión c.a. o c.c. que puede ser aplicada continuamente a un DPS en cualquier modo de protección. Es igual a la máxima tensión nominal del dispositivo. 3.29 Medidas de protección (Protection Measures). Medidas a ser adoptadas en el objeto a proteger con el fin de reducir el riesgo debido a rayos. 3.30 Multiplicidad (Multiple Strokes). Número de descargas que componen un rayo. Para el caso de la región colombiana, la multiplicidad presenta un valor promedio entre 1 y 2, con un intervalo típico de tiempo entre éstas, de aproximadamente 50 ms (Se han reportado eventos de hasta 16 descargas con intervalos entre 10 a 250 ms). 3.31 Nivel de protección contra rayos NPR (Lightning Protection Level LPL). Número relacionado con un conjunto de los parámetros de la corriente de rayo, pertinentes a la probabilidad que asocia los valores de diseño máximo y mínimo, son valores que no serán excedidos cuando naturalmente ocurra una descarga eléctrica atmosférica NOTA El nivel de protección contra rayo se utiliza para diseñar las medidas de protección contra rayo. 3.32 Nivel de protección en tensión (Voltage Protection Level). Es el valor máximo de tensión que aparece entre los terminales de un DPS cuando opera a sus condiciones nominales. 3.33 Objeto a proteger (Object to be Protected). Estructura o acometida de servicio a ser protegida contra los efectos del rayo. 3.34 Origen virtual de la corriente de descarga corta (O1) ((Virtual origen of Short Stroke Current). Punto de intersección de una línea recta con el eje del tiempo, la cual une el 10 % y el 90 % de los puntos de referencia sobre la entrada de la corriente de descarga (véase la Figura A.1). 3.35 Partes externas conductoras (External Conductive Parts). Extensiones de partes metálicas que ingresan o salen de la estructura a proteger, por ejemplo tuberías, cables metálicos, ductos metálicos, entre otros, que pueden llevar corrientes parciales de rayo. 3.36 Pendiente promedio de la corriente de descarga corta (Average Steepness of the Short Stroke Current). Rata promedio de variación de la corriente de descarga dentro de un intervalo de tiempo t2 - t1. Es expresada por la diferencia i(t2) - i(t1) de los valores de corriente en el comienzo y en el final de este intervalo, dividido por el intervalo de tiempo t2 - t1 (véase la Figura A.1). 3.37 Protección con DPS coordinados (Coordinated SPD Protection). Conjunto de DPS seleccionados apropiadamente, coordinados e instalados para reducir las fallas en los sistemas eléctricos y electrónicos
- 12. NORMA TÉCNICA COLOMBIANANTC 4552-1 5 3.38 Punto de impacto (Point of Strike). Punto donde una descarga toca tierra o un objeto elevado (ejemplo: estructuras, sistemas de protección contra rayos, acometidas, árboles, entre otros). NOTA Una descarga puede tener más de un punto de impacto. 3.39 Rayo (Lightning): La descarga eléctrica atmosférica o más comúnmente conocida como rayo, es un fenómeno físico que se caracteriza por una transferencia de carga eléctrica de una nube hacia la tierra, de la tierra hacia la nube, entre dos nubes, al interior de una nube o de la nube hacia la ionósfera. 3.40 Rayo cercano a un objeto (Lightning Flash Near to an Object). Rayo que impacta en la vecindad de un objeto protegido, capaz de dañar el sistema eléctrico o electrónico. 3.41 Rayo en un objeto (Lightning Flash to an Object). Rayo que impacta a un objeto a ser protegido. 3.42 Riesgo (Risk) (R). Valor probabilístico relativo a una pérdida anual (seres humanos y bienes), causada por el rayo y relativas al valor del objeto a proteger. 3.43 Riesgo tolerable (RT) (Tolerable Risk). Valor máximo del riesgo que se puede tolerar para el objeto a proteger. 3.44 Transitorio (Surge). Onda transiente causado por un IER que aparece como sobretensión y/o sobrecorriente NOTA Los transitorios causados por un IER pueden presentarse por corrientes de rayo (parciales), por lazos inductivos y por los efectos remanentes (tensión y/o corriente) que deja pasar el DPS 3.45 Servicios a proteger (Services to be Protected). Servicios incorporados a una estructura para la cual se requiere protección contra los efectos del rayo. NOTA Las acometidas eléctricas y de telecomunicaciones, son las más afectadas por el rayo. 3.46 Sistema de captación (Air Terminal System). Parte de un SIPRA, compuesto de elementos metálicos tales como bayonetas, conductores de acoplamiento o cables colgantes que interceptan intencionalmente el rayo. 3.47 Sistema de conductores bajantes (Down Conductors System). Parte de un SIPRA que conduce intencionalmente la corriente del rayo desde el sistema de captación al sistema de puesta a tierra. 3.48 Sistema de medidas de protección contra IER (LEMP Protection Measures System). Conjunto de medidas de protección contra IER para sistemas internos. 3.49 Sistema de protección contra sobretensiones (Surge Protection Devices System). Conjunto de DPS seleccionados, coordinados e instalados correctamente para reducir fallas de sistemas eléctricos, electrónicos y de telecomunicaciones. 3.50 Sistema de protección externa (External Lightning Protection System). Parte del SIPRA que consiste en un sistema de puntas de captación, un sistema de conductor bajante y un sistema de puesta a tierra. NOTA Generalmente estos elementos están instalados externamente a la estructura.
- 13. NORMA TÉCNICA COLOMBIANANTC 4552-1 6 3.51 Sistema de protección interna (Internal Lightning Protection System). Parte de un SIPRA que consiste en una conexión equipotencial de rayo y acorde con la distancia de separación dentro de la estructura protegida. 3.52 Sistema de puesta a tierra (Earth Termination System). Parte de un SIPRA que conduce y dispersa intencionalmente la corriente de rayo en tierra. 3.53 Sistema eléctrico (Electrical System). Sistema que incluye componentes de suministro eléctrico de baja tensión y posiblemente componentes electrónicos. 3.54 Sistema electrónico (Electronic System). Sistema que incluye componentes electrónicos sensibles tales como equipos de comunicación, computadores, instrumentos de control e instrumentación, sistemas de radio, instalaciones electrónicas de potencia. 3.55 Sistema integral de protección contra rayo SIPRA (Lightning Protection System LPS). Sistema integral usado para reducir los daños físicos que pueden ser causados por el rayo a un ser vivo o a una estructura. Se puede considerar la medida más efectiva para proteger las estructura contra los 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 contra rayos. 3.56 Sistema interno (Internal System). Sistemas eléctricos y electrónicos dentro de una estructura. 3.57 Tensión de contacto. Diferencia de potencial que durante una falla se presenta entre una estructura metálica puesta a tierra y un punto de la superficie del terreno a una distancia de un metro. Esta distancia horizontal es equivalente a la máxima que se puede alcanzar al extender un brazo. 3.58 Tensión de paso. Diferencia de potencial que durante una falla se presenta entre dos puntos de la superficie del terreno, separados por una distancia de un paso (aproximadamente un metro). 3.59 Tensión nominal soportable al impulso tipo rayo (Uw). (Rated Inpulse Withstand Voltage). Valor de tensión asignado por el fabricante al equipo o a una parte de éste, que caracteriza la rigidez dieléctrica al impulso de su aislamiento contra sobretensiones. 3.60 Tensión residual (Residual Voltage). Es el valor pico de la tensión que aparece entre los terminales de un DPS debido al paso de una corriente de descarga. 3.61 Terminal de captación o dispositivo de interceptación de rayos (Air Terminal). Elemento metálico cuya función es interceptar los rayos que podrían impactar directamente sobre la instalación a proteger. Comúnmente se le conoce como pararrayos. 3.62 Tiempo de cola (T2) (Time to Half Value of Short Stroke Current). Parámetro virtual definido como el intervalo de tiempo entre el origen virtual O1 y el instante en que la corriente ha disminuido a la mitad del valor máximo (véase la Figura A.1). 3.63 Tiempo de frente de la corriente de descarga corta (T1) (Front Time of Short Stroke Current (T1)). Parámetro virtual definido como 1.25 veces el intervalo de tiempo entre los instantes en que se alcanza el 10 % y el 90 % del valor máximo (véase la Figura A.1). 3.64 Valor pico (I) (Peak Value). Valor máximo de la corriente de rayo.
- 14. NORMA TÉCNICA COLOMBIANANTC 4552-1 7 3.65 Zona de protección contra rayos ZPR (Lightning Protection Zone LPZ). Zona donde está definido el ambiente electromagnético del rayo. NOTA En la ZPR los efectos electromagnéticos de la corriente de rayo pueden ser atenuados. 4. PARÁMETROS DEL RAYO Los parámetros del rayo usados en la serie de la NTC 4552 están reportados en el Anexo informativo A del presente documento. La función en el tiempo del rayo para propósitos de prueba está reportada en el Anexo B informativo del presente documento. La información para la simulación del rayo para propósitos de prueba está dada en el Anexo C informativo del presente documento. Los parámetros básicos a ser usados en laboratorio para simular los efectos de los rayos en componentes de un SIPRA están reportados en el Anexo informativo D del presente documento. La información de sobretensiones debidas a impactos de rayos en diferentes puntos de la instalación está dada en el Anexo E. 5. DAÑOS DEBIDOS A RAYOS 5.1 DAÑOS A ESTRUCTURAS El rayo que afecta a una estructura puede causar daño a la estructura misma, a sus ocupantes y a su contenido, incluyendo fallas en sistemas internos. Los daños y las fallas pueden extenderse a los alrededores de la estructura, incluso pueden envolver el medio ambiente local. La escala de esta extensión depende de las características de la estructura y de las características de la descarga atmosférica. 5.1.1 Efectos del rayo en una estructura Las principales características de la estructura respecto a los efectos del rayo incluyen: - Construcción (madera, ladrillo, concreto, concreto reforzado, construcción en marco de acero). - Función (vivienda, oficina, granja, teatro, hotel, escuela, hospital, museo, iglesia, prisión, almacén grande, banco, fábrica, planta industrial, áreas deportivas). - Ocupantes y contenido (personas y animales, presencia de materiales combustibles o incombustibles, materiales explosivos o no explosivos, sistemas eléctricos y electrónicos con resistencia a la baja o alta tensión). - Acometidas entrantes (líneas de energía, líneas de telecomunicaciones, tuberías). - Medidas de protección (ej. las medidas de protección reducen los daños físicos y el peligro de perder la vida, la protección reduce las fallas de sistemas internos).
- 15. NORMA TÉCNICA COLOMBIANANTC 4552-1 8 - Grado de extensión del peligro (estructura con dificultades de evacuación o estructura donde el pánico puede ser creado, estructura peligrosa a los alrededores, estructuras de ambiente peligroso). La Tabla 1 muestra los efectos del rayo en diversos tipos de estructura. Tabla 1. Efecto de los rayos sobre estructuras típicas 5.1.2 Fuentes y tipos de daños de una estructura La corriente de rayo es la fuente del daño. Las siguientes situaciones son consideradas dependiendo de la posición del punto de impacto relativo a la estructura: S1 Impacto a la estructura S2 Impacto cerca de la estructura Tipo de estructura según la función y/o el contenido Efectos del rayo Casa de habitación Perforación de instalaciones eléctricas, fuego y daños materiales Daño limitado normalmente a los objetos expuestos al punto de toque o 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 como daño material. Riesgo secundario causado por pérdida de energía eléctrica, y peligro de vida del ganado debido a la falta de control electrónico de sistemas 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 las medidas de extinción del fuego Banco, Compañía de seguros Centros comerciales, etc. Situaciones como las anteriores, más problemas resultado de pérdida de comunicación, falla de computadoras y pérdida de datos Hospital, Clínica de reposo, Prisión Situaciones como las anteriores, más complicaciones con las personas en cuidados intensivos, y dificultades de rescatar a gente inmóvil. Industria Efectos adicionales dependiendo del contenido de la fábricas, extendiéndose de menor importancia por daño inaceptable y pérdida de la producción. Museos y sitios arqueológicos Iglesias Pérdida de patrimonio cultural irreemplazable. Telecomunicaciones, Centrales eléctricas Pérdidas inaceptables de servicio al público. Fábrica de fuegos artificiales Trabajos 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 consecuencias perjudiciales al ambiente local y global.
- 16. NORMA TÉCNICA COLOMBIANANTC 4552-1 9 S3 Impacto al servicio entrando a la estructura S4 Impacto cerca al servicio entrando a la estructura Los rayos que impactan a la estructura pueden causar: - Daño mecánico inmediato, fuego y/o explosión causado por el arco caliente ionizado del rayo, o causado por la corriente de rayo que origina calentamiento resistivo de los conductores (recalentamiento de conductores), o causado por la carga que origina un arco corrosivo (metal derretido). - Fuego y/o explosión iniciado por chispas, causadas por sobretensiones resultantes de acoples inductivos o resistivos y por el paso de parte de la corriente de rayo. - Lesiones a personas por tensiones de paso y de contacto resultado de acoples resistivos e inductivos. - Fallas o mal funcionamiento de sistemas internos causados por IER. Los rayos que impactan cerca de la estructura pueden causar falla o mal funcionamiento de sistemas internos causados por IER. Los rayos que impactan sobre acometidas entrantes a la estructura pueden causar: - Fuego y/o explosión iniciado por chispas, causadas por sobretensiones y corrientes de rayo transmitidas por la acometida entrante. - Lesiones a personas causadas por tensiones de contacto dentro de la estructura, originados por corrientes de rayo transmitidas por la acometida entrante. - Falla o mal funcionamiento de sistemas internos causado por sobretensiones transmitidas a la estructura por líneas entrantes. Los rayos que impactan cerca de la acometida entrante a la estructura pueden causar: - Falla o mal funcionamiento de sistemas internos causado por sobretensiones inducidas y transmitidos por líneas entrantes a la estructura. NOTA El funcionamiento incorrecto de sistemas internos no es tratado en la serie NTC 4552. Se hace énfasis de esto en la publicación lEC 61000-4-5. NOTA Solamente las chispas que llevan corrientes de rayo (total o parcialmente) se consideran capaces de iniciar fuego. NOTA Los rayos, directos o cerca de tuberías entrantes, no causan daños a la estructura, debido a que estas se enlazan a la barra equipotencial de la estructura (véase la NTC 4552-3). Como resultado, el rayo puede causar tres tipos básicos de daños: D1 Lesiones a los seres vivos, causadas por tensiones de contacto y de paso. D2 Daños físicos (fuego, explosión, destrucción mecánica, escape químico) causados por efectos de la corriente de rayo incluyendo chispas. D3 Fallas de sistemas internos causados por IER.
- 17. NORMA TÉCNICA COLOMBIANANTC 4552-1 10 5.2 DAÑOS EN ACOMETIDAS El rayo que afecta una acometida puede causar daño físico a esta -línea o tubería- según sea usada para proporcionar algún servicio (energía, telecomunicaciones, acueducto), así como al equipo eléctrico y electrónico conectado a ésta. La escala de esta proporción de daño depende de las características de la acometida, del tipo y de la extensión de los sistemas eléctricos y electrónicos y de las características del rayo. 5.2.1 Efectos del rayo en acometidas Las características principales de la acometida a las que se consideran los efectos del rayo son: - Construcción (línea: aérea, subterránea, cubierta, descubierta, fibra óptica; tubo: metálico, plástico). - Función (línea de telecomunicación, línea de energía, tubería). - Estructura considerada (construcción, contenido, dimensiones, localización). - Existencia o suministro de medidas de protección (alambre blindado, DPS, redundancia de línea, sistemas de almacenamiento de fluido, sistemas de generación, Sistema de Potencia ininterrumpida UPS). La Tabla 2 muestra los efectos del rayo en acometidas típicas. Tabla 2. Efectos del rayo en acometidas típicas Tipo de acometida Efectos del rayo Líneas de telecomunicaciones Daños mecánicos de la línea, derretimiento de pantallas y conductores, falla del aislamiento del cable y falla primaria del equipo principal causa de inmediata pérdida del servicio. Fallas secundarias en los cables de fibra óptica con daño del cable pero 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 del aislamiento del equipo de la línea y de transformadores con la consecuencia 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 de combustible Perforaciones de empaques no metálicos probablemente causando fuego y/o la explosiones. Daños a equipos de control eléctrico y electrónico probablemente causando pérdida del servicio. 5.2.2 Fuentes y tipos de daño en una acometida La corriente de rayo es la fuente del daño. Las siguientes situaciones deben ser consideradas dependiendo de la posición del punto de impacto relativo a la acometida considerada: S1 Rayos a la estructura suplida por la acometida considerada, S3 Rayos a la acometida entrante a la estructura,
- 18. NORMA TÉCNICA COLOMBIANANTC 4552-1 11 S4 Rayos cerca de la acometida entrante a la estructura Rayos que impactan la estructura pueden causar en la acometida de servicio: - Fundición de alambres metálicos (conductores) y de las pantallas del cable, causado por parte de la corriente de rayo que fluye en las acometidas, dando por resultado un calentamiento resistivo. - Falla del aislamiento en líneas y de los equipos conectados causados por acoples resistivos. (ACOPLAMIENTOS). - Disrupción de empaques no metálicos en bordes de tubos, así como empaques en empalmes de aisladores. NOTA El cable de fibra óptica sin conductor metálico no es afectado por la caída del rayo en la estructura. Rayos que impactan la acometida entrante a la estructura pueden causar en la acometida de servicio: - Daño mecánico inmediato de alambres o ductos metálicos de la acometida causados por esfuerzo electrodinámico o por efectos térmicos de la corriente de rayo (rompiendo y/o fundiendo alambres, pantallas o tuberías metálicas), y causados por el arco ionizante de calor (perforando la cubierta protectiva de plástico). - Daño eléctrico inmediato de las líneas (Falla de aislamiento) y del equipo conectado; - Perforaciones finas en bordes y empaques de tubería aérea metálica y no metálica, donde sus consecuencias pueden extenderse a fuego y explosión, dependiendo del tipo de líquidos transportados. Los rayos que impactan cerca de la acometida entrante a la estructura pueden causar en la acometida de servicio: - Falla del aislamiento en líneas y equipos conectados a éstas, debido a acoples inductivos (sobretensiones inducidas). NOTA El cable de fibra óptica sin conductores metálicos no es afectado por los rayos a tierra. Como resultado, el rayo puede causar dos tipos básicos de daños: D2 Daños físicos (fuego, explosión, destrucciones mecánicas, escape químico) causados por efectos térmicos de la corriente del rayo. D3 Falla de sistemas eléctricos y electrónicos causados por sobretensiones. 5.3 TIPOS DE PÉRDIDAS Cada tipo de daño, solo o conjuntamente con otros, pueden producir diferentes consecuencias perjudiciales en el objeto a proteger. El tipo de pérdida que puede aparecer depende de las características del objeto mismo. Para propósitos de esta norma son considerados los siguientes tipos de pérdidas: L1 Pérdida de vidas humanas
- 19. NORMA TÉCNICA COLOMBIANANTC 4552-1 12 L2 Pérdida de servicios públicos L3 Pérdida de bienes culturales L4 Pérdidas económicas Las pérdidas del Tipo L1, L2 y L3 se pueden considerar como pérdidas de valor social, mientras que las pérdidas del Tipo L4 se pueden considerar como pérdidas económicas. Las pérdidas que pueden asociarse con los impactos en o cerca de las estructuras son L1, L2, L3 y L4. Las pérdidas que pueden asociarse con los impactos en o cerca de las acometidas de servicio son L2 y L4. La relación entre la fuente de daño, el tipo de daño y la pérdida para las estructuras y para las acometidas se presenta en la Tabla 3 y Tabla 4 respectivamente. Tabla 3. Daños y pérdidas en una estructura de acuerdo con diferentes puntos de impacto Punto de Impacto Fuente de Daño Tipo de Daño Tipo de Pérdida Estructura S1 D1 D2 D3 L1, L4 (2) L1, L2, L3, L4 L1, L2, L4 Cerca de la estructura S2 D2**, D3 L1 (1) , L2, L4 Acometida de servicio entrando a la estructura S3 D1 D2 D3 L1, L4 (2) L1, L2, L3, L4 L1(1) , L2, L4 Cerca de la acometida de servicio S4 D3 L1 (1) , L2, L4 (1) Solo para estructuras con riesgo de explosión, hospitales u otra estructura en donde las fallas del 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.
- 20. NORMA TÉCNICA COLOMBIANANTC 4552-1 13 Tabla 4. Daños y pérdidas en la acometida de servicio de acuerdo con diferentes puntos de impacto de rayo Punto de impacto Fuente de daño Tipo de daño Tipo de pérdida Acometida de Servicio S3 D2 * ,D3 L1, L2,L4 Cerca a la acometida de servicio S4 D3 L2,L4 Estructura suplida S1 D2 * ,D3 L1,L2,L4 * En el caso de tuberías con empaques o bridas no metálicos transportando fluidos explosivos 6. NECESIDADES Y CONVENIENCIAS ECONÓMICAS PARA LA PROTECCIÓN CONTRA RAYO 6.1 NECESIDAD DE LA PROTECCIÓN CONTRA RAYO En función de reducir pérdidas de valores sociales L1, L2, y L3 será evaluada la necesidad de proteger un objeto contra rayo. Para evaluar si una u otra protección contra rayo es necesaria, se realiza una evaluación del riesgo de acuerdo con los procedimientos contenidos en la NTC 4552-2. Los siguientes riesgos deben considerase, correspondientemente a los tipos de pérdida descritos en el numeral 5.2.3: R1 riesgo de perdida de vidas humanas; R2 riesgo de pérdida de servicios públicos domiciliarios; R3 riesgo de pérdida del patrimonio cultural; La protección contra rayo es necesaria si el riesgo R (R1 a R3) es más alto que el nivel tolerable RT TRR > En este caso la medida de protección será adoptada en orden de reducir el riesgo R (R1 a R3) al nivel tolerable RT TRR ≤ Si más de un tipo de pérdida podría aparecer en el objeto que se protegerá, la condición TRR ≤ será satisfecha para cada tipo de la pérdida (L1, L2 y L3) Los valores del riesgo tolerable RT donde el resultado del impacto de rayo sea la pérdida de artículos de valor social, debe estar bajo la responsabilidad del organismo nacional competente. NOTA El detalle sobre la información de la evaluación del riesgo y el procedimiento para la selección de las medidas de protección están descritas en la NTC 4552-2. Los tipos de pérdida que resultan de tipos de daño y la relación con el riesgo se muestran en la Figura 1.
- 21. NORMA TÉCNICA COLOMBIANANTC 4552-1 14 Riesgo R1 Riesgo R2 Riesgo R3 Riesgo R4 Pérdida de vidas humana Pérdida de servicios públicos Pérdida de bienes culturales Pérdidas económicas Tipo de pérdidas Lesiones por tensiones de paso y de contacto Fuego Falla por sobre- tensiones Tipo de daños Lesiones por tensiones de paso y de contacto Falla por sobre- tensiones Fuego Falla por sobre- tensiones Fuego Fuego 1) Solamente para hospitales u otro tipo de estructuras las fallas en sistemas eléctricos o electrónicos comprometen vidas humanas Figura 1. Tipo de pérdidas como resultado de diferentes tipos de daño 6.2 CONVENIENCIAS ECONÓMICAS DE LA PROTECCIÓN CONTRA RAYO Además de necesitar la protección contra rayo para que el objeto sea protegido, puede ser útil evaluar las ventajas económicas al proporcionar medidas de protección para reducir pérdidas económicas del Tipo L4. En este caso el riesgo de pérdida de valores económicos R4 debe ser determinado. La evaluación del riesgo R4 permite calcular el costo de la pérdida económica con y sin medidas de protección. La protección contra rayos es conveniente si la suma del costo de pérdida residual en la presencia de medidas de protección CRL y del costo de medidas de protección CPM es más baja que el costo de pérdida total sin medidas de la protección CL: LPMRL CCC <+ NOTA La información detallada sobre la evaluación de la conveniencia económica de la protección contra rayo se describe en la norma 4552-2. 7. MEDIDAS DE PROTECCIÓN Las medidas de protección se pueden adoptar para reducir el riesgo según el tipo de daño. 7.1 MEDIDAS DE PROTECCIÓN PARA REDUCIR LESIONES EN SERES VIVOS CAUSADAS POR TENSIONES DE PASO Y CONTACTO. Las posibles medidas de protección son: - Adecuado aislamiento de piezas conductoras expuestas. - Equipotencialización por medio de un sistema de puesta a tierra. - Restricciones físicas y avisos de prevención.
- 22. NORMA TÉCNICA COLOMBIANANTC 4552-1 15 NOTA La equipotencialización no es efectiva contra tensiones de contacto. NOTA Un aumento de la resistencia superficial del suelo dentro y fuera de la estructura puede reducir el peligro para la vida. 7.2 MEDIDAS DE PROTECCIÓN PARA REDUCIR DAÑOS FÍSICOS Las posibles medidas de protección son: a) para estructuras - El Sistema integral de protección contra rayos (SIPRA) NOTA Cuando un SIPRA está instalado, la equipotencialización es una medida muy importante para reducir peligro: de perder la vida, de incendio y de explosión. Para más detalle vea la publicación en la NTC 4552-3. NOTA Se pueden reducir daños físicos si se usan elementos que limitan el desarrollo y la propagación del fuego tal como compartimientos, extintores, hidrantes, instalaciones incombustibles, alarmas contra incendio e instalaciones extintoras de fuego. NOTA Rutas de evacuación seguras proporcionan protección al personal. b) para acometidas - Conductor blindado NOTA Para cables enterrados una protección muy eficaz es dada mediante los ductos metálicos. 7.3 MEDIDAS DE PROTECCIÓN PARA REDUCIR FALLAS EN SISTEMAS ELÉCTRICOS Y ELECTRÓNICOS Las posibles medidas de protección son: a) para 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 b) para acometidas - Dispositivos de protección contra sobretensiones (DPS) a lo largo de la acometida 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.
- 23. NORMA TÉCNICA COLOMBIANANTC 4552-1 16 NOTA Circuitos auxiliares, equipo redundante, sistemas de autoabastecimiento energético, sistemas continuos de energía, sistemas de almacenamiento de agua, sistemas automáticos de detección de falla son medidas de protección eficaces para reducir la pérdida de actividad de algún servicio. NOTA Un incremento de la tensión disruptiva del aislamiento del equipo y de los cables es una medida eficaz de protección contra fallas causadas por sobretensiones. 7.4 SELECCIÓN DE MEDIDAS DE PROTECCIÓN La selección de medidas de protección más convenientes será hecha por el diseñador y el propietario de la estructura según la cantidad y el tipo de cada clase de daño, y según los aspectos técnicos y económicos de las diversas medidas de protección. Los criterios para la evaluación del riesgo y para la selección de las medidas más convenientes de protección se describen en la NTC 4552-2. Las medidas de protección son eficaces bajo la condición de que se efectúen con los requisitos de normas apropiadas y acorde a las reglamentaciones vigentes, además de que puedan soportar el esfuerzo disruptivo esperado en el lugar de su instalación. 8. CRITERIOS BÁSICOS PARA LA PROTECCIÓN DE ESTRUCTURAS Y ACOMETIDAS Una protección ideal para las estructuras y para las acometidas sería encerrando el objeto a proteger dentro de un blindaje perfecto (Jaula de Faraday), un conductor continuo conectado a tierra de calibre adecuado, y que proporcione conexión adecuada a las acometidas que incorporan la estructura en el punto de acción de dicho blindaje. Esto prevendría la penetración de la corriente de rayo y del campo electromagnético al objeto protegido, mitigando efectos térmicos y electrodinámicos perjudiciales de la corriente, así como tensiones disruptivas (formación de chispas) y sobretensiones peligrosas para los sistemas eléctricos y electrónicos. En la práctica la protección solamente se puede acercar a esta solución ideal porque, en los casos reales, la estructura o la acometida no se pueden incluir en un blindaje perfecto y/o continuo de calibre adecuado. La carencia de continuidad del blindaje y/o un calibre inadecuado permiten que la corriente de rayo penetre el blindaje, causando: - Daños físicos y peligro de muerte - Falla de sistemas internos - Falla del servicio y de los sistemas conectados. Las medidas de protección, adoptadas para reducir tales daños y sus respectivas pérdidas, serán diseñadas según el sistema de parámetros de la corriente de rayo contra los cuales se requiere la protección (nivel de protección contra rayo NPR). 8.1 NIVELES DE PROTECCIÓN CONTRA RAYO (NPR) Para propósitos de esta norma, se introducen cuatro niveles de protección contra rayo (I a IV). Para cada nivel (NPR) se genera un sistema fijo de parámetros máximos y mínimos de corriente de rayo. NOTA Las protecciones contra el rayo cuyos parámetros, máximo y mínimo, de la corriente de rayo excedan el nivel I (NPR I) no se consideran en esta norma.
- 24. NORMA TÉCNICA COLOMBIANANTC 4552-1 17 NOTA La probabilidad de ocurrencia de rayo cuyos parámetros, máximo y mínimo, de la corriente de rayo excedan el nivel I (NPR I) es menor del 2 %. Los valores máximos de los parámetros de la corriente de rayo a nivel I (NPR I) no serán excedidos, con una probabilidad de 99 %. De acuerdo con la proporción de la polaridad (véase el numeral A.2), los valores tomados para descargas positivas tendrán probabilidades por debajo de 10 %, mientras que para descargas negativas permanecerán debajo de 1 % (véase el numeral A.3). Los valores máximos de los parámetros de corriente de rayo del nivel I (NPR I) se reducen a 75 % para el nivel II ya 50 % para los niveles III y IV (lineal para I, Q y di/dt, pero cuadrático para W/R). Los parámetros del tiempo no cambian. Los valores máximos de los parámetros de corriente de rayo para diversos niveles de protección contra rayo (NPR) se muestran en la Tabla 5, y son usados para diseñar los componentes de la protección (ej. sección transversal de los conductores, grueso de las hojas de metal, capacidad de corriente del DPS, distancia de separación contra disrupciones peligrosas) y para definir los parámetros de la prueba que simula los efectos del rayo en estos componentes (véase el Anexo D). Tabla 5. Valores máximos de parámetros del rayo de acuerdo con el NPR 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 Parámetro Símbolo Unidad I II III IV 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 Parámetro Símbolo Unidad I II III IV Carga larga Qlarga C 100 75 50 Parámetro de tiempo Tlargo s 0,5 Rayo NPR Parámetro Símbolo Unidad I II III IV Carga Qrayo C 300 225 150 Los valores mínimos de amplitud de la corriente de rayo para los diversos niveles (NPR) se utilizan para derivar el radio de la esfera rodante (véase el numeral A.4) en función de definir la zona de protección contra rayo, que no se puede alcanzar por descarga directa (véase el numeral 8.2, Figura 2 y Figura 3). Los valores mínimos de los parámetros de la corriente de rayo junto con el radio relacionado de la esfera rodante se dan en la Tabla 6. Estos se utilizan para posicionar los bornes aéreos y para definir la zona ZPR 0B de la protección contra rayo (véase el numeral 8.2).
- 25. NORMA TÉCNICA COLOMBIANANTC 4552-1 18 Tabla 6. Valores mínimos de parámetros del rayo relativos al radio de la esfera rodante correspondiente a cada NPR 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 NOTA Estas corrientes están basadas con las probabilidades de zona tropical (véase el Anexo A). NOTA El procedimiento de obtención de estos radios para zona tropical esta descrito en el numeral A.4 de esta norma. NOTA El diseñador es libre de usar cualquier radio de la esfera, siempre y cuando estos sean inferiores a los mostrados en la Tabla 6. Para las distribuciones estadísticas dadas en la Figura A.5, la probabilidad ponderada puede ser determinada de tal manera que los parámetros de corriente de rayo sean menores que los valores máximos y respectivamente mayores que los valores mínimos definidos para cada nivel de la protección (véase la Tabla 7). Tabla 7. Probabilidades para los límites de los parámetros del rayo Las medidas de protección contra el rayo especificadas en la serie NTC-4552 son eficaces para los parámetros de corriente que se encuentren en el rango definido por el NPR asumido para el diseño. Por lo tanto la eficiencia de una medida de protección es asumida como igual a la probabilidad con la cual los parámetros de la corriente de rayo están dentro de dicho rango. 8.2 ZONAS DE PROTECCIÓN CONTRA RAYO (ZPR) Las zonas de protección contra rayos ZPR son un concepto tomado de la teoría de compatibilidad electromagnética. Las protecciones aguas abajo de la ZPR se caracterizan por una reducción significativa del IER, que pueda existir aguas arriba de la ZPR. Con respecto a la protección contra el rayo se definen las siguientes ZPR (Figura 2 y Figura 3): - ZPR 0A Expuesto a impactos directos del rayo. La Corriente y el campo magnético del rayo no son amortiguados. - ZPR 0B Protegido contra impactos directos de rayo. La corriente parcial o inducida del rayo y el campo magnético no son amortiguados. - ZPR 1 Protegido contra impactos directos del rayo. La corriente parcial o inducida del rayo y el campo magnético son amortiguados. - ZPR 2 n Como la ZPR 1 pero el campo magnético es más amortiguado. NPR Probabilidad que los parámetros sean I II III IV Menores que el máximo definido en la Tabla 5 0,99 0,98 0,97 0,96 Mayores que el mínimo definido en la Tabla 6 0,99 0,97 0,91 0,84
- 26. NORMA TÉCNICA COLOMBIANANTC 4552-1 19 NOTA En general, cuanto más alto es el número de la zona individual, más bajos son los valores de los parámetros electromagnéticos del ambiente. Como regla general para la protección, el objeto protegido estará en una ZPR cuyas características electromagnéticas sean compatibles con la capacidad del objeto para soportar el esfuerzo causa del daño a reducir (daños físicos, fallas de los sistemas eléctricos y electrónicos debidas a sobretensiones). NOTA Para muchos sistemas eléctricos y electrónicos y otros dispositivos, la información sobre el nivel disruptivo puede ser suministrada por el fabricante. Para los DPS el diseñador podrá utilizar los lineamientos contenidos en la norma técnica colombiana vigente, o los documentos normativos ANSI IEEE C 62.41-1, -2: 2002 e lEC 62305-4. 8.3 PROTECCIÓN DE ESTRUCTURAS 8.3.1 Protección para reducir daños físicos y riesgos de perder la vida La estructura protegida estará dentro de un ZPR 0B o mayor. Esto se alcanza por medio de un sistema integral de protección contra rayo (SIPRA). Los SIPRA consisten en sistemas externos e internos de protección contra rayo y, adicionalmente, medidas de seguridad y protección personal contra rayo (Véase la Figura 2). s s Estructura Sistema de interceptación Sistema de bajantes Sistema de tierra Servicio entrando Servicio entrando S3 S1 S2S4 BZPR 0 ZPR 0B ZPR 1 ZPR 0A DPS 0A/1 A/1DPS r r S1 S2 S4 S3 s r Impacto a la estructura Impacto cerca de la estructura Impacto en servicio entrando a la estructura Impacto cerca servicio entrando a la estructura Radio esfera rodante Distancia separación contra peligros de impacto Barraje equipotencial de rayos (DPS) ZPR 0A 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 1 Volúmen protegido dentro de ZPR 1 tiene que respetar distancia de separación s Figura 2. Zonas de protección contra rayos ZPR definidas para un SIPRA (NTC 4552-3)
- 27. NORMA TÉCNICA COLOMBIANANTC 4552-1 20 Sistema de interceptación Sistema de tierra r S4 DPS 0A/1 BZPR 0 s DPS 0A/1 ZPR 1 S3 Estructura apantallada por ZPR 1 ZPR 0 Servicio entrando A S1 Sistema de bajantes r ZPR 0B 2S ZPR 0B Servicio entrando DPS 1 2 DPS 1 2 ZPR 2 ds sd DPS 0B/1 Cuarto apantallado por ZPR 2 1 Estructura apantallada por ZPR1 S1 Impacto a la estructura 2 Sistema de Interceptación S2 Impacto cerca de la estructura 3 Sistema de bajantes S3 Impacto en servicio entrando a la estructura 4 Puesta a Tierra S4 Impacto cerca servicio entrando a la estructura 5 Cuarto apantallado por ZPR2 r Radio esfera rodante 6 Servicio entrando ds Distancia de seguridad a muy altos campos magnéticos Barraje equipotencial de rayos (DPS) ZPR 0A Impactos directos, corriente total del rayo ZPR 0B No impactos directos, corriente parcial de rayo o corriente inducida ZPR 1 No impactos directos, corriente parcial de rayo a corriente inducida ZPR 2 Volumen protegido dentro de ZPR 1 y ZPR 2 tiene que respetar distancia de separación ds Figura 3. Zonas de protección contra rayos ZPR definidas para medidas de protección contra IER Las funciones de los sistemas externos son: - Interceptar el rayo dirigido a una estructura (con un sistema de captadores) - Conducir la corriente de rayo con seguridad a tierra (con un sistema de conductores bajantes) - Dispersar el rayo en tierra (con un sistema de puesta a tierra) La función de los sistemas de protección internos es prevenir chispas peligrosas dentro de la estructura, usando una conexión equipotencial o una distancia de separación, s, (por lo tanto aislamiento eléctrico) entre los componentes de los SIPRA y otros elementos eléctricamente conductores internos en la estructura.
- 28. NORMA TÉCNICA COLOMBIANANTC 4552-1 21 Las medidas de seguridad y protección personal contra rayo consisten en una guía de seguridad personal contra este fenómeno y en casos de instalaciones al aire libre, un sensor de tormentas. Se definen cuatro tipos de SIPRA (I, II, III, IV) como un sistema de reglas de construcción, basadas en el NPR correspondiente. Cada sistema incluye un nivel dependiente (ej. radio de la esfera rodante, ancho del acoplamiento, etc.) y un nivel independiente (ej. secciones representativas, materiales etc.) de reglas de construcción. El peligro de perder la vida debido a las tensiones de paso y de contacto, donde la resistencia superficial del suelo fuera y dentro del piso de la estructura no es suficientemente alta, se reduce así: - Fuera de la estructura, por aislamiento de las partes conductoras expuestas, por equipotencialización mediante un sistema de malla a tierra, por medio de avisos y restricciones físicas. - Dentro de la estructura, por conexión equipotencial de las acometidas en el punto de entrada a la estructura. Los SIPRA se diseñaran con indicaciones de la NTC 4552-3. 8.3.2 Protección para reducir fallas en sistemas internos La protección contra IER para reducir el riesgo de falla en sistemas internos se limitará a: - Sobretensiones causadas por el rayo sobre la estructura, resultado del acople resistivo e inductivo. - Sobretensiones causadas por el rayo cerca de la estructura, resultado del acople inductivo; - Sobretensiones transmitidas por las líneas entrantes, causadas por rayos sobre o cerca de las líneas. - Acople directo del campo magnético con los sistemas internos. NOTA Los efectos del acople directo del campo magnético con los sistemas internos son menores y pueden ser despreciados siempre y cuando los aparatos de los sistemas cumplan con lo relevante a las normas de productos electromagnéticamente compatibles (véase la NTC 4552-2 y la normatividad nacional vigente para protección de sistemas internos o en su defecto la norma IEC 62305-4 o los documentos normativos IEEE C62.41-1 e IEEE C62.41-2 o la normatividad UIT serie K). El sistema interno protegido estará dentro de una ZPR1 o uno más alto. Esto se alcanza por medio de protectores magnéticos que atenúan el campo magnético inducido y/o por medio de conexiones adecuadas (trayectos convenientes) del cableado, que reducen el lazo de inducción. La conexión será proporcionada por los límites de la ZPR para las piezas metálicas y los sistemas que cruzan los límites que se pueden realizar por medio de conexión de conductores, cuando son necesarios, por dispositivos de protección (DPS). Las medidas de protección para la adecuada ZPR se establecen en la normatividad nacional vigente o en su defecto la norma IEC 62305-4 o los documentos normativos IEEE C62.41-1 e IEEE C62.41-2 o la normatividad UIT serie K.
- 29. NORMA TÉCNICA COLOMBIANANTC 4552-1 22 La protección efectiva contra sobretensiones, que causan fallas de sistemas internos, también se puede alcanzar por medio de un sistema DPS que limita sobretensiones por debajo del impulso de tensión disruptivo del sistema protegido. El DPS será seleccionado e instalado según los requisitos de la normatividad nacional vigente o en su defecto la norma IEC 62305-4 o los documentos normativos IEEE C62.41-1 e IEEE C62.41-2 o la normatividad UIT serie K. 8.4 PROTECCIÓN DE ACOMETIDAS Las acometidas estarán protegidas dentro de una: - ZPR 0B o mayor, para reducir daños físicos. Esto se alcanza seleccionando un trayecto subterráneo en vez de uno aéreo o usando un interruptor colocado adecuadamente, cuando sea efectivo según las características de la línea, o aumentando el calibre de la tubería a un valor adecuado asegurando su continuidad metálica. - ZPR 1 o mayor, para la protección contra sobretensiones que causan fallas de servicio (en las acometidas). Esto se alcanza reduciendo el nivel de las sobretensiones inducidas por el rayo, por medio del adecuado blindaje magnético de cables, y/o dispersando la sobrecorriente y limitando sobretensiones por medio del DPS adecuado.
- 30. NORMA TÉCNICA COLOMBIANANTC 4552-1 23 ANEXO A (Informativo) PARÁMETROS DEL RAYO A.1 RAYOS A TIERRA Existen dos tipos de descargas eléctricas atmosféricas o rayos: - Descargas descendentes iniciadas por un líder descendente nube – tierra. - Descargas ascendentes iniciadas por un líder ascendente de una estructura aterrizada a nube En territorios planos y estructuras bajas generalmente se presentan descargas descendentes, mientras que para estructuras altas dominan las descargas ascendentes. Con estructuras altas la probabilidad de impacto se incrementa (NTC 4552-2 Numeral 6) y cambian las condiciones físicas. Un rayo consiste de una o varias descargas (strokes) - Descargas de corta duración, menores de 2 ms (véase la Figura A.1) - Descargas de larga duración, mayores de 2 ms (véase la Figura A.2) T T 50% 90% 10% O 1 2 1 ± i I t O1 I t 1 t 2 = Origen virtual = Corriente pico = Teimpo de frente = Tiempo al valor medio Figura A.1. Definiciones de parámetros de impacto corto (Típicamente T2 < 2 ms)
- 31. NORMA TÉCNICA COLOMBIANANTC 4552-1 24 10% 10% Tlong Qlong ± i t Tlong = Tiempo de duración Q long = Carga de impacto largo Figura A.2. Definiciones de parámetros para descargas largas (Típicamente 2 ms <Tlong<1s) Además de las diferentes descargas se debe considerar la polaridad del rayo (negativa o positiva) y su posición durante la descarga (primera, subsecuente, sobrepuesta). Los posibles componentes son mostrados en la Figura A.3 para descargas descendentes y en la Figura A.4 para descargas ascendentes. = i t Primera carga corta Positivo o negativo t - i t Descargas cortas subsecuentes Negativo - i tNegativo ± i Descarga larga Positivo o negativo ± i - i - i Figura A.3. Posibles componentes de descargas descendentes (Típicas en territorios planos y estructuras bajas)
- 32. NORMA TÉCNICA COLOMBIANANTC 4552-1 25 t Descarga corta t Descargas cortas superpuestas = i Positivo o negativo = i Primera descarga larga - i t Descargas cortas subsecuentes Negativo - i tNegativo t = i Positivo o negativo Descarga larga unica ± i Positivo o negativo ± i Descarga larga - i - i - i Figura A.4. Posibles componentes de descargas ascendentes (Típicas para estructuras expuestas y/o altas) Una componente adicional para las descargas ascendentes es la primera descarga de larga duración (o simplemente descarga larga) sin o con hasta 10 descargas cortas sobrepuestas. Todos los parámetros de las descargas ascendentes son menores que los de las descargas descendentes. Sin embargo, no esta confirmado que exista una carga mayor para descargas ascendentes. Por consiguiente, los parámetros del rayo para descargas ascendentes se consideran cubiertos por los valores máximos tomados de las descargas descendentes. Una evaluación más precisa de los parámetros del rayo y su alta dependencia con respecto a descargas descendentes y ascendentes esta bajo consideración. A.2 PARÁMETROS DEL RAYO Los parámetros del rayo en esta norma están basados en los resultados de investigaciones realizadas en países tropicales como Brasil, Colombia y datos del CIGRE, dados en la Tabla A.1. Su distribución estadística puede ser asumida como una distribución log-normal. El correspondiente valor de la media (µ) y la desviación estándar ( )logσ están dados en la Tabla A.2 y la función de distribución se muestra en la Figura A.5 Con base en estos supuestos, puede ser determinada la probabilidad de ocurrencia de cualquier valor de cada parámetro.
- 33. NORMA TÉCNICA COLOMBIANANTC 4552-1 26 Tabla A.1. Valores tabulados de parámetros del rayo tomados de mediciones de Brasil y Colombia [2], [16] Magnitud probabilística del parámetro Tipo de descarga Denominación CIGRE y referencia Parámetro Magnitud del parámetro para NPRI 95 % 50 % 5 % 24 45,3 85,2 1 a Desc. Neg. Corta (6) (2) 75 7 16,3 37,7 Desc. Sub. Neg. Corta PEAK, (6)I (kA) 200 4,6 35 250 Descarga Pos. Corta (4) Rayo negativo Qrayo (C) 300 20 80 350 Rayo positivo (4) 2,3 5,2 11,6 1a Desc. Neg. Corta (6) 0,15 0,99 6,6 Desc. Sub. Neg. Corta (6)Qcorta (C) 100 2 16 150 1 a Desc. Pos (4) 26 107 444 1 a Desc. Neg. Corta (6) 0,5 6,3 78,9 Desc. Sub. Neg. Corta (6)W/R (kJ/Ω) 100 00 25 650 15 000 1 a Desc. Pos. Corta (4) 11,9 19,4 31,4 1 a Desc. Neg. Corta TAN G, (6) 10,1 29,9 88,6 Desc. Sub. Neg. Corta TAN G, (6) di/dtmáx (kA/µs) 20 0,2 2,4 32 1 a Desc. Pos. Corta (4) di/dt30/90 % (kA/µs) 190 8,1 24,7 75 Desc. Sub. Neg. Corta S-30, (6) 3,1 5,6 9,9 1 a Desc. Neg. Corta T10 (6) 0,2 0,7 2,3 Desc. Sub. Neg. Corta T10 (6) Duración del frente (µs) 3,5 22 200 1a Desc. Pos. Corta (4) 19,7 53,5 145,2 1 a Desc. Neg. Corta (6) 2,2 16,4 122,3 Desc. Sub. Neg. Corta (6) Duración de la cola (µs) 25 230 2 000 1 a Desc. Pos. (4) Intervalo del tiempo (ms) 20 120 64 300 Múltiples Descargas Neg. (2) (5) (3) Descargas Neg. (todas) Descarga Neg. (Sin simple) Duración total de la descarga (ms) 14 85 500 Descarga Pos. (4) (1) Cherchiglia et., al. “Lightning Program Carried out by Compañía Energetica de Minas Gerais CEMIG” Conference Proceedings Ground 98, Belo Horizonte, Brazil, 1998. (2) Torres, H. “El Rayo, mitos, leyendas, ciencia y tecnología”, Editorial UNIBIBLOS, Bogotá, Colombia, 2002. (3) Mello, J.C., et., al. “Enhancement of Morro do Cachimbo Station facilities for measurement of lightning currents” Conference Proceedings, Ground 2000, Belo Horizonte, Brazil, 2000. (4) Se toman los valores de CIGRE (Electra No. 41 o No. 69) por no existir mediciones confiables de parámetros de polaridad positiva en zona tropical. Existen datos de redes de localización de rayos pero la ecuación utilizada para el cálculo de corriente por esta tecnología esta condicionada a los valores de CIGRE. Estas redes no entregan datos de di/dt. La investigación sobre estos datos para zona tropical se encuentra en progreso. (5) Younes C. “Evaluación de Parámetros del Rayo con Mediciones Terrestres y Satelitales para Colombia” Tesis de Maestría, UN Bogotá, 2002. (Item III.4). (6) Schroeder, M.A. “Modelo Eletromagnético Para Descontaminação De Ondas De Corrente De descargas Atmosféricas: Aplicação Às Medições da Estação do Morro do Cachimbo” Tesis de Doctorado, U Federal Minas Gerais, Brasil, 2001
- 34. NORMA TÉCNICA COLOMBIANANTC 4552-1 27 Tabla A.2 Distribución log-normal de los parámetros del rayo. Valores medios y dispersión calculados para 95% y 5% Parámetros Media μ Desviación estándar σlog Tipo de descarga Línea en la Figura A.5 45,3 0.39 Primera descarga negativa corta 1 16,3 0,51 Descarga subsecuente negativa corta 2I (kA) 33.9 0.527 Primera descarga positiva corta 3 Rayo negativo Qrayo (C) 83.7 0.378 Rayo positivo 5 5,2 0.50 Primera descarga negativa corta 6 0,99 1,15 Descarga subsecuente negativa corta 7Qcorta (C) 17.3 0.570 Primera descarga positiva corta 8 107 0.88 Primera descarga negativa corta 9 6,33 1,54 Descarga subsecuente negativa corta 10W/R Ω/kJ 612 0.844 Primera descarga positiva corta 11 19,4 0,29 Primera descarga negativa corta 12 29,9 0,66 Descarga subsecuente negativa corta 13 di/dtmax (kA/us) 2.53 0.670 Primera descarga positiva corta 14 /di dt30 / 90 % (kA/us) 24,7 0.68 Descarga subsecuente negativa corta 15 Qlarga (C) 200 Descarga larga Tlong (s) 0,5 Descarga larga 5.6 0.36 Primera descarga negativa corta 0,7 0,74 Descarga subsecuente negativa corta Duración inicial (frente) (us) 26.5 0.534 Primera descarga positiva corta 53,5 0,62 Primera descarga negativa corta 16,4 1,23 Descarga subsecuente negativa corta Duración de la cola (us) 224 0.578 Primera descarga positiva corta Intervalo de tiempo (ms) Múltiples descargas negativas cortas Rayo negativo (todos) Rayo negativo Duración total del rayo (ms) 83,7 0,472 Rayo positivo NOTA Los tipos de descarga que no tienen valor alguno es debido a que no se tienen valores medidos. La amplitud de la corriente de retorno de la descarga eléctrica atmosférica es frecuentemente referida como el parámetro más importante para aplicaciones en ingeniería. La descarga de retorno (o return stroke en inglés) es la etapa del fenómeno que tiene mayor aplicación en la ingeniería del diseño y protección de sistemas eléctricos y electrónicos, ya que presenta las mayores magnitudes de corriente eléctrica entre el centro de carga de la nube y tierra.
- 35. NORMA TÉCNICA COLOMBIANANTC 4552-1 28 1 2 3 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 0,1 1 10 100 1000 10000 100000 Valor del parámetro Probabilidad 2 3 4 6 8 10 0 2 3 4 6 8 10 1 2 3 4 6 8 10 2 2 3 4 6 8 10 3 2 3 4 6 8 10 4 2 3 4 6 8 10 5 0,2 0,1 90 0,5 1 2 5 10 20 30 40 50 60 70 80 95 98 99 99,5 99,9 Figura A.5. Distribución de frecuencia acumulada de parámetros del rayo (líneas para valores entre 95 % y 5%)
- 36. NORMA TÉCNICA COLOMBIANANTC 4552-1 29 Registros de magnitud de corriente negativa de retorno del rayo para un área tropical son presentados por Lee et al. (1979) [7]. Las mediciones se realizaron en Kuala Lumpur, Malasia, por medio del método de antena aérea en campo abierto. En esta investigación se desarrolló un modelo teórico para la obtención de las corrientes de la primera descarga de retorno del rayo, a partir de los datos de campo magnético obtenidos; en total se registraron 194 medidas de campo magnético de la primera descarga de retorno de los rayos presentes en 11 tormentas. Con base en estos datos se estableció la distribución de probabilidad acumulada del valor pico de la corriente de retorno del rayo, y se obtuvo que existe una probabilidad del 50% de que se presente un valor de corriente pico mayor a 36 kA; así mismo, la rata de ascenso de la corriente, obtenida entre el 10 % y el 90 % del valor pico, es típicamente entre 4 y 6 kA/µs para esta zona. Posteriormente, Lee et al., realizaron una comparación de los resultados obtenidos, con base en la distribución de probabilidad acumulada, de Kuala Lampur, con mediciones de otras partes del mundo; en la Tabla A.3 se muestran las medianas del valor pico de corriente para estas investigaciones. De acuerdo con esta comparación Lee et al concluyen que, en general, existe una buena concordancia entre los resultados, aunque las medidas fueron hechas por diferentes métodos. En particular se presenta bastante concordancia entre los resultados obtenidos en Malasia y los obtenidos por Anderson en Rodesia (actualmente Botswana en África central), regiones tropicales con características climáticas y geográficas similares. Tabla A.3. Medianas del valor pico de la corriente de retorno del rayo en diferentes zonas del planeta (Adaptado de Lee et. Al. 1979) País Mediana (kA) Estados Unidos 23 Suiza 30 Suecia 30 Polonia 31 Malasia 36 Brasil 43 Rodesia 42 Colombia 43 1) Monte cachimbo, minas Gerais, Brasil 1996 2) Valor estimado mediante mediciones de campo eléctrico a menos de 100 km y aplicando el modelo MTL. [1] Los datos de Brasil son el resultado de mediciones realizadas desde 1985 en la estación de investigación Cachimbo, localizada 15 km al sur de Belo Horizonte, capital del estado de Minas Gerais. Esta estación consta de una torre de 60 m localizada en la punta de un cerro a una altitud de 1 400 m sobre nivel del mar. La adquisición de los datos se hace, a través de transformadores de corriente cuyas señales son digitalizadas y luego registradas mediante 2 osciloscopios digitales. Los datos analizados para esta norma corresponden a 79 descargas registradas entre 1985 y 1999 cuyo resumen se presentan en la Tabla A.4 [3-5]. Los datos de mediciones en Colombia corresponden a estudios realizados con diferentes métodos de medición. La amplitud de la corriente de rayo se estimó mediante mediciones de campo eléctrico vertical llevadas a cabo en 1995 [9], por medio de una antena de placas paralelas, previamente calibradas en laboratorio empleando un osciloscopio digital de alta resolución y equipo de medición asociado. Estos datos fueron comparados con los registrados por el sensor de tormentas TSS-420 en operación en las instalaciones de la Universidad Nacional en Bogotá. La distancia de impacto se calculó mediante la información suministrada por la red colombiana de localización de rayos RECMA, [1].
- 37. NORMA TÉCNICA COLOMBIANANTC 4552-1 30 Tabla A.4. Características de rayos medidos en Cachimbo, Brasil Número total de rayos registrados 79 Número promedio de rayos por año 7 Incidencia de descargas negativas 64 (81 %) Incidencia de descargas positivas 13 (16,5 %) Descargas con polaridad indefinida 2 (2,5 %) Descargas descendentes observadas (confirmadas) 33 (41,8 %) Incidencia de descargas negativas descendentes 31 (39,2 %) Incidencia de descargas positivas descendentes 2 (2,5 %) La evaluación de los otros parámetros para Colombia es el resultado de análisis de los datos de la red colombiana de localización de rayos RECMA, en operación desde 1997, [1], [2]. La Figura A.6 muestra resultados de probabilidad comparativos entre los valores dados por CIGRE en 19791 de registros tomados en latitudes no tropicales, y los estimados en cuatro países tropicales: Brasil (Estación Cachimbo, Estado de Minas Gerais, 1996), Rodesia (Anderson, et. al., 1954), Malasia (Lee, et. al, 1979) y Colombia (Torres, et. al., 1995). Esta gráfica permite ver la mayor probabilidad de magnitud de corriente negativa de retorno de rayo en Zonas Tropicales (Brasil, Malasia, Colombia y Rodesia), respecto a zonas no tropicales (CIGRE). 100,0% Probabilidad 80,0% 60,0% 40,0% 20,0% 0,0% 1 10 100 Corriente pico de la descarga [kA] CIGRE (1979) PAAS, Colombía (1995) Cachimbo, Brazil (1993) Anderson, Rhodesia (1954) Lee, Malaysia (1979)CIGRE (1979) Figura A.6. Curva de probabilidad acumulada de corriente de retorno negativa, comparativas entre países ubicados en zonas templadas (CIGRE) y ubicados en zonas tropicales La relación de polaridad es una función del territorio considerado. Esta información para el caso colombiano se presenta en la Figura A.7 y Figura A.8. 1 Valores que aún siguen vigentes en todo el mundo, para aplicaciones en ingeniería
- 38. NORMA TÉCNICA COLOMBIANANTC 4552-1 31 80 Porcentaje[%] 70 60 50 40 30 20 10 0 Polaridad Positivas Negativas 32,72 67,28 Figura A.7. Distribución de polaridades promedio multianules (1997 – 2001) para el territorio Colombiano Porcentaje[%] 70 60 50 40 30 20 10 0 80 90 100 10,1 89,9 76,9 73,7 60,0 40,0 26,3 68,8 31,2 29,5 70,5 84,2 15,8 23,1 Bogotá Samana Pto.Berrio ElBagre Nechi Magangue Barranquilla Positivos Negativos Figura A.8 Distribución de polaridades promedio multianules (1997 – 2001) para algunas ciudades Colombianas La polaridad de una descarga eléctrica atmosférica para un área considerada (aspecto espacial), puede también afectar la estrategia de una óptima protección contra rayos. Desde las mediciones realizadas por Berger en las décadas del 1950 a 1970, en Monte San Salvatore (Italia - Suiza), se ha establecido que la distribución promedia de la polaridad de una descarga eléctrica atmosférica varía entre 90 % y 95 % para polaridad negativa y entre 5 % y 10 % para polaridad positiva.
- 39. NORMA TÉCNICA COLOMBIANANTC 4552-1 32 Sin embargo, resultados de mediciones en diferentes redes de localización de rayos, como por ejemplo la NLDN2 de los Estados Unidos, muestran que una considerable proporción de descargas en época de invierno son de polaridad positiva. De los análisis de resultados con antenas de detección de rayos, tipo DF (direction finding), en la Costa Este de los Estados Unidos, Orville (1987), reportó un cambio de polaridad en las descargas, como función de la temporada, con dominio de la polaridad positiva en la temporada de invierno. Orville también reportó un incremento en la mediana de la corriente pico de retorno del rayo para esta temporada [1]. Sugimoto et. al., en 1994, presentan mediciones de Corriente de Retorno del Rayo durante el invierno en Japón, siendo este el período cuando la actividad de rayos es más severa, encontrando una relación cercana de uno a uno entre las descargas negativas y las positivas, pero ninguna diferencia estadística notable en las magnitudes de corriente. Uman en su libro Lightning Discharge (p.54) [6] sostiene que las condiciones que favorecen la aparición de Rayos de polaridad positiva son aparentemente grandes elevaciones, climas fríos, latitudes altas y tormentas severas. Sin embargo, en los más de diez años de observaciones realizadas con la antena TSS 420 por el grupo PAAS-UN de la Universidad Nacional de Colombia y con la Red Colombiana de Localización de Rayos RECMA, se ha encontrado que los rayos de polaridad positiva dependen no solamente de condiciones espaciales como elevación, clima y latitud, sino de condiciones temporales como hora diaria de presentación de la tormenta y periodo del año [1]. Con base en los datos de la RECMA, que cubre la región central colombiana, se puede reportar que algunas zonas experimentan cambios de polaridad como función del tiempo, medido en meses, mientras que en otras la proporción de descargas negativas - positivas, permanece inalterable durante el año. Es así como se encontró, por ejemplo, que para la población de Nechí, la fracción de descargas positivas varía de 0 % en enero a 95 % en junio en el año 2000, respecto al total de descargas [2]. Mediante los datos multianuales del sensor TSS 420 se han realizado trabajos de evaluación de la polaridad para diferentes zonas y durante varios años. Si bien, en general el comportamiento de la zona central colombiana se caracteriza por una distribución típica de polaridad 95 % negativas, 5 % positivas, se ha encontrado que en la zona sur del departamento de Cundinamarca, límites con los departamentos de Tolima y Huila, la proporción de polaridad varía en el tiempo [1]. NOTA El valor de los parámetros del rayo ha sido obtenido, generalmente, de mediciones en objetos altos (torres instrumentadas) y sistemas de localización de rayos. La distribución estadística de los valores de la corriente pico del rayo no considera el efecto de tales torres (descontaminación). A.3 PARÁMETROS MÁXIMOS DEL RAYO PARA NIVEL I DE PROTECCIÓN CONTRA RAYOS - NPR I Los efectos mecánicos del rayo se relacionan con el valor pico de la corriente (I) y la energía específica (W/R). Los efectos térmicos se relacionan con la energía específica (W/R) cuando se presenta acople resistivo y con la carga (Q) cuando se presenta arco en la instalación. Sobretensiones y arcos peligrosos causados por acoples inductivos están relacionados con el valor medio de la pendiente de la corriente del rayo (di/dt). 2 Lightning Detection Network
- 40. NORMA TÉCNICA COLOMBIANANTC 4552-1 33 Cada uno de estos parámetros (I, Q, W/R, di/dt) tiende a dominar en cada mecanismo de falla. Esto debe tenerse en cuenta al establecer los procedimientos de prueba. A.3.1 Primera descarga corta y descarga larga Los valores de I, Q, W/R que se relacionan con efectos mecánicos y térmicos, se determinan a partir de las descargas positivas (debido a que sus valores de 10 % son mucho mayores que los correspondientes al 1 % de los valores de las descargas negativas). De la Figura A.5 (líneas 3, 5, 8, 11 y 14) se pueden asumir los siguientes valores con probabilidad menor del 10 %, así: I = 200 kA Qflash = 300 C Qcorto = 100 C W/R = 10MJ/Ω di/dt = 20kA/µs Para un primer impacto de rayo, de acuerdo con la Figura A.1, estos valores dan una primera aproximación para el tiempo de frente: ( ) µsd/dIT ti 101 == Para un impacto de rayo decayendo exponencialmente, la siguiente ecuación aplica para un valor de carga y energía (T1 << T2). 2 70 1 T*I* , Qcorto = (A.1) 2 2 70 1 2 1 T*I* , *RW = (A.2) Estas ecuaciones, junto con los valores dados arriba, dan una primera aproximación para el valor del tiempo al 50 %: T2 = 350 µs (A.3) Para descargas de larga duración, su carga puede ser calculada aproxidamente de: Qlarga = Qflash - Qcorto = 200 C (A.4) Su tiempo de duración, de acuerdo con la Figura A.2, puede ser estimado del tiempo de duración de la descarga como: Tlarga = 0,5 s (A.5) NOTA Estos valores han sido tomados de lEC considerando que para zona tropical los parámetros de polaridad positiva aun no han sido publicados.
- 41. NORMA TÉCNICA COLOMBIANANTC 4552-1 34 A.3.2 Descargas cortas subsecuentes El valor máximo del promedio de la pendiente di/dt, que se relaciona con el arco peligroso causado por acople inductivo, se determina de las descargas cortas subsecuentes negativas (Debido a que el 1 % de sus valores son mucho mayores que las primeras descargas negativas o el correspondiente valor 10 % de las descargas positivas). De la Figura A5 (líneas 2 y 15) se puede tomar el siguiente valor con probabilidad menor del 1 %: I = 54 kA (A.6) di/dt = 120 kA/µs (A.7) Para un impacto corto subsecuente de acuerdo con la Figura A.1, estos valores dan una primera aproximación para su tiempo de frente: T1 = I/(di/dt) = 0,4 µs (A.8) Su tiempo al valor medio puede ser estimado de la duración de la descarga subsecuente negativa: T2 = 50 µs, a partir de datos de energía especifica, distribución log-normal 1 % A.4 VALORES MÍNIMOS DE LOS PARÁMETROS DEL RAYO Debido a que los parámetros de la descarga eléctrica atmosférica en zona tropical difieren con respecto a los de latitudes mayores, fue necesario re-evaluar el radio de la esfera rodante para propósitos de diseño del sistema de protección externo. Para ello se determinó el valor de la corriente pico definida por la probabilidad de ocurrencia de valores mínimos para cada NPR (véanse las Tablas 6 y 7), con base en los parámetros de zona tropical presentados anteriormente. Aunque tradicionalmente, el radio de la esfera rodante se ha asumido igual que el de la distancia de impacto aproximada para las corrientes mínimas esperadas en cada NPR, se tuvo en cuenta que tanto esta distancia como el punto final de impacto directo de la descarga sobre una estructura dependen de su geometría y dimensiones, y no es el mismo para todos los puntos en la estructura (esquinas, bordes, techo plano, puntas etc.) [12]-[15]. Por consiguiente, aunque no es posible establecer valores de distancia de impacto válidos para todos los casos, se puede implementar la opción más segura para el diseño de la protección externa, determinada por la distancia de impacto para terreno plano 'S' (sin estructuras). Esta opción brinda mayor seguridad porque constituye el valor mínimo que puede tomar la distancia de impacto, ya que la presencia de estructuras en tierra propicia la formación de líderes ascendentes y por consiguiente aumenta el valor de esta distancia. Debido a lo anterior, el radio de la esfera rodante se estimó aplicando la expresión propuesta en el trabajo doctoral [12] para los valores de corriente pico mínima en zona tropical dados en la Tabla 6 para cada NPR. Dicha expresión es la siguiente: 780 93 , Ip,S = (A.9) Al comparar los valores de la distancia de impacto para terreno plano ‘S’ con los usados tradicionalmente para diseño por medio de la expresión St =10 Ip0,65 se encuentran valores apreciablemente mayores para la expresión tradicional ‘St’, lo cual puede llevar a sobrestimar el radio de la esfera rodante y como consecuencia diseñar un sistema de protección externo de menor eficiencia a la deseada.
- 42. NORMA TÉCNICA COLOMBIANANTC 4552-1 35 Mayores detalles acerca del tema, se pueden encontrar en la referencia [12]. A.5 NIVEL CERAUNICO Y DENSIDAD DE RAYOS A TIERRA A.5.1 Variación espacial del nivel ceraunico El NC fue evaluado en áreas de 30 km2 x 30 km2 , encontrándose zonas con valores entre 11 d y 289 d tormentosos año. La Figura A.9 muestra la variación de estos valores en la geografía colombiana para el año 1999. 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 Latitud Brasil Perú Ecuador Panamá Venezuela 30 60 60 60 60 60 60 90 90 90 90 120 120 120 150 150 150 180 210 180 180 180 210 210 240 240 250 Figura A.9. Mapa de ISO-Niveles ceraunicos para Colombia (Área de 30 km x30 km) – 1999 NOTA Este mapa de ISO-Niveles ceraunicos para Colombia fue elaborado por el convenio Universidad Nacional de Colombia e Interconexión Eléctrica S.A. ESP, con base en el Sistema de Información de Descargas de ISA S.A. ESP, en caso de alguna aclaración favor dirigirse a los autores.
- 43. NORMA TÉCNICA COLOMBIANANTC 4552-1 36 A.5.2 Densidades típicas en Colombia La evaluación Global de DDT para toda la geografía colombiana se hizo para áreas de 300 km2 x 300 km2 ., para un total de 1393 km2 x900 km2 ; sus resultados se muestran en la Tabla A.5 y Figura A.10 Se presentan variaciones en valores desde 0,0012 hasta 11.4, con un valor de media aritmética de 3 [strokes/km2 -año]. Tabla A.5. Actividad de rayos en la geografía colombiana entre 1977-1999. Área = 1393x900 km 2 Año Total Strokes DDT media [strokes/km 2 -año] 1997 2.875.660 2,29 1998 2.828.774 2,25 1999 1.987.061 1,58 2000 1.147.459 0,91 2001 1.888.503 1,5 Respecto a la evaluación Global y considerando los resultados de evaluaciones de diferentes sitios del mundo, es posible afirmar que la DDT es menos prevalente en el trópico que en el sub-trópico [11]. Sin embargo, cuando se evalúa regionalmente, en áreas de 30 km2 x30 km2 , se pueden encontrar, en la geografía colombiana (zona tropical), valores de DDT de 35 [strokes/km2 -año]. Una evaluación local en áreas menores, de 3 km2 x 3 km2 es el ideal para propósitos de diseño de sistemas de protección contra rayos. Esta evaluación solo es obtenible a través de los datos de un sistema de localización de rayos. 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 Latitud Brasil Perú Ecuador Panamá Venezuela -66,0 14,0 Bogotá D.C. Samaná El Bagre 1 1 1 2 2 2 3 4 3 3 4 5 5 6 7 8 9 Figura A.10. DDT Colombia 1999 (áreas 300 km 2 x 300 km 2 )
- 44. NORMA TÉCNICA COLOMBIANANTC 4552-1 37 Tabla A.6. Densidad de descargas a tierra para algunas ciudades de Colombia Ciudad Latitud Longitud Densidad promedio Barranquilla 10,9 -74,8 1 Cartagena 10,5 -75,5 2 Corozal 9,3 -75,3 3 El Banco 9,1 -74,0 10 Magangue 9,3 -74,8 5 Montería 8,8 -75,9 2 Quibdo 5,7 -76,6 9 Santa Marta 11,1 -74,2 2 Tumaco 1,8 -78,8 1 Turbo 8,1 -76,7 5 Valledupar 10,4 -73,3 2 Riohacha 11,5 -72,9 2 Armenia 4,5 -75,8 2 Barranca 7,0 -73,8 7 Bogota 4,7 -74,2 1 Bucaramanga 7,1 -73,1 1 Cali 3,6 -76,4 1 Cúcuta 7,9 -72,5 1 Girardot 4,3 -74,8 5 Ibagué 4,4 -75,2 2 Ipiales 0,8 -77,6 1 Manizales 5,0 -75,5 2 Medellín 6,1 -75,4 1 Neiva 3,0 -75,3 1 Ocaña 8,3 -73,4 2 Pasto 1,4 -77,3 1 Pereira 4,8 -75,7 4 Popayán 2,4 -76,6 1 Remedios 7,0 -74,7 12 Villavicencio 4,2 -73,5 1 Bagre 7,8 -75,2 12 Samaná 5,4 -74,8 9
- 45. NORMA TÉCNICA COLOMBIANANTC 4552-1 38 ANEXO B (Informativo) FUNCIONES DE LOS PARÁMETROS DEL RAYO PARA PROPÓSITOS DE ANÁLISIS EN EL DOMINIO DEL TIEMPO Las formas de onda de corriente (T1 /T2) para: - La primera descarga 10/350 µs - Las descargas subsecuentes cortas 0,4/50 µs Pueden ser definidas como: ( ) ( ) ( )25 1 5 1 1 τ− τ+ τ = /texp. /t /t . k I i (B.1) en donde I = corriente pico (kA). k = factor de corrección para la corriente pico. t = tiempo (µs). 1τ = constante de tiempo de frente (µs). 2τ = constante de tiempo de cola (µs). Los parámetros dados en la Tabla B.1 aplican para la forma de onda de la primera descarga y la descarga subsecuente corta, para diferentes NPR. Las curvas analíticas se muestran en la Figura B.1 y la Figura B.2. Las descargas largas pueden ser descritas por formas de onda rectangulares con una corriente promedio I y una duración Tlargo de acuerdo con la Tabla 5. La densidad de amplitud de la corriente de rayo (Figura B.3) puede ser derivada de las curvas analíticas. Tabla B.1. Parámetros para la ecuación B.1 Primera descarga Descargas subsecuentes NPR NPRParámetros I II III-IV I II III-IV I (kA) 200 150 100 75 56 38 k 0,941 0,941 0,941 0,981 0,981 0,981 τ1 (μs) 9,43 9,43 9,43 0,354 0,354 0,354 τ2 (μs) 471 471 471 70,45 70,45 70,45
- 46. NORMA TÉCNICA COLOMBIANANTC 4552-1 39 100 % 50 % 0 % i 10 % 90 % tT T 1 2 Figura B.1. Forma de onda de la pendiente de la descarga de corriente 100 % 50 % 0 % i tT2 50 % Figura B.2. Forma de onda de la cola de la descarga de corriente
- 47. NORMA TÉCNICA COLOMBIANANTC 4552-1 40 10 ³ f 10 ² 10 ¹ 10 º 10 ¹ 10 ² 10 ³ (A/Hz) 10 ¹ 10 º 10 ¹ 10 ² 10 ³ 10 4 10 5 10 6 10 7 (Hz) 4 4 4 31 2 1 Descarga larga 400 A 0,5 2 Primera descarga 200 kA 10/350 μs 3 Descargas subsecuentes 50 kA 0,25/100 μs 4 Curva envolvente Figura B.3. Densidad de la amplitud de la corriente de rayo para un NPR I
- 48. NORMA TÉCNICA COLOMBIANANTC 4552-1 41 ANEXO C (Informativo) SIMULACIÓN DE LOS PARÁMETROS DEL RAYO PARA PROPÓSITOS DE PRUEBA C.1 INTRODUCCIÓN Si un objeto es impactado por un rayo, la corriente del rayo circula por el mismo. Cuando se ensayan elementos de protección individuales, debe tenerse en cuenta la escogencia de parámetros de prueba apropiados para cada componente. Finalmente, debe ser realizado un análisis del comportamiento del SIPRA. C.2 SIMULACIÓN DE LA ENERGÍA ESPECIFICA DE LA PRIMERA DESCARGA CORTA Y LA CARGA DE UNA DESCARGA LARGA Los parámetros de prueba están definidos en las Tablas C.1 y Tabla C.2; un ejemplo del generador de pruebas se muestra en la Figura C.1, el cual puede ser usado para simular la energía específica de la primera descarga corta combinada con la carga de la descarga larga. Las pruebas son hechas para evaluar la integridad mecánica, comportamiento ante calentamiento y efectos de fundición. Los parámetros de prueba relevantes para la simulación de la primera descarga corta (corriente pico I, energía específica W/R y carga QS) están dados en la Tabla C.1. Estos parámetros deben ser obtenidos con el mismo impulso. Este puede ser llevado a cabo mediante una aproximación a una exponencial de corriente decreciente con T2 en el rango de 350 µs. Los parámetros de prueba relevantes para la simulación de la descarga larga (carga Ql y duración T) están dados en la Tabla C.2. Dependiendo de las pruebas y los mecanismos de daño esperados, las pruebas para la primera descarga corta o la descarga larga pueden ser aplicadas individualmente o como una prueba combinada, donde a la descarga larga le sigue la primera descarga corta inmediatamente. Las pruebas para el arco de fusión deben ser hechas con ambas polaridades. Tabla C.1. Parámetros de prueba para la primera descarga corta NPR Parámetros de prueba I II II-IV Tolerancia Corriente pico (kA) 200 150 100 + 10 % Carga Qcorta (C) 100 75 50 + 20 % Energía específica W/R (kJ/Ω) 10000 5625 2500 + 35 % Tabla C.2. Parámetros de prueba para descargas largas NPR Parámetros de prueba I II III-IV Tolerancia Carga Qlarga 200 150 100 + 20 % Duración T (s) 0,5 0,5 0,5 + 10 %
- 49. NORMA TÉCNICA COLOMBIANANTC 4552-1 42 L 160 kV tensión de carga U 600 V G L 20 μF Interruptor de inicio R = 0,1 Ω1 R2 R3 1,5 Ω 100 μH to 300 μH 0,5 s Interruptor de corto circuito Derivación Generador de corriente para la primera descarga Generador de corriente para larga descarga NOTA Los valores aplican para NPR I Figura C.1. Ejemplo de generador de prueba para la simulación de la energía específica de la primera descarga corta y la carga de la descarga larga C.3 SIMULACIÓN DEL FRENTE DE LA CORRIENTE DE LA DESCARGA CORTA La pendiente de la corriente la determinan las tensiones magnéticamente inducidas en lazos instalados cerca de conductores que llevan corrientes de rayo. La pendiente de la descarga corta de corriente es definida como el aumento de la corriente Δi durante el incremento de tiempo Δt (véase la Figura C.2). Los parámetros de prueba relevantes para la simulación de esta pendiente de corriente están dados en la Tabla C.3. Ejemplos de los generadores de prueba se muestran en la Figura C.3 y Figura C.4, los cuales pueden ser usados para simular la pendiente del frente de una corriente de rayo asociada con un impacto directo de rayo. La simulación puede ser hecha para una primera descarga corta y una descarga corta subsecuente. NOTA Esta simulación cubre la pendiente de descarga corta de corriente. La cola de la corriente no tiene influencia en esta clase de simulación. La simulación de acuerdo con el numeral C.2 puede ser aplicada independientemente o en combinación con la simulación del numeral C.1. Para información adicional sobre parámetros de pruebas simulando los efectos del rayo en los componentes de un SIPRA, véase el Anexo D. Tabla C.3. Ejemplo de generador de prueba para la simulación de la energía específica de la primera descarga corta y la carga de la descarga larga NPR Parámetros de prueba I II III-IV Tolerancia Primera descarga corta Δi (kA) Δt (µs) 200 10 150 10 100 10 + 10 % + 20 % Descargas subsecuentes cortas Δi (kA) Δt (µs) 54 0,4 40,5 0,4 27 0,4 + 10 % + 20 %
- 50. NORMA TÉCNICA COLOMBIANANTC 4552-1 43 i t Δt Δi Figura C.2. Definición para la pendiente de la corriente de acuerdo con la Tabla C.3 300 kV tensión de carga UL 2 μH 0,25 Ω 9 μH 0,1 Ω Generador de corriente Elemento de prueba NOTA Los valores aplican para NPR I Figura C.3. Ejemplo del generador de prueba para la simulación de la pendiente del frente de la primera descarga corta
- 51. NORMA TÉCNICA COLOMBIANANTC 4552-1 44 300 kV tensión de carga UL 2 μH 0,25 Ω 9 μH 0,1 Ω Generador de corriente Elemento de prueba NOTA Los valores aplican para NPR I Figura C.4. Ejemplo del generador de prueba para la simulación de la pendiente del frente de las descargas subsecuentes
- 52. NORMA TÉCNICA COLOMBIANANTC 4552-1 45 ANEXO D (Informativo) PARÁMETROS DE PRUEBA PARA SIMULAR LOS EFECTOS DE LOS RAYOS SOBRE COMPONENTES DE UN SIPRA D.1 GENERAL Este anexo presenta los parámetros básicos para ser usados en un laboratorio para simular los efectos de los rayos. El Anexo D cubre todos los componentes de un SIPRA sujeto a toda o a una gran parte de las corrientes de rayo y debe ser usado conjuntamente con las normas que especifican los requerimientos y las pruebas para cada componente específico. NOTA Los parámetros relevantes para los aspectos relacionados con el sistema (por ejemplo, para la coordinación de dispositivos de protección contra Sobretensiones DPS) no son considerados en este Anexo. D.2 PARÁMETROS DEL RAYO RELEVANTES EN EL PUNTO DE IMPACTO Los parámetros del rayo relevantes que juegan un papel importante en la integridad física de un SIPRA son, en general, la corriente pico I, la carga Q, la energía específica W/R, la duración T y la pendiente promedio de la corriente di/dt. Cada parámetro tiende a dominar diferentes mecanismos de falla como se analizara en la siguiente sección. Los parámetros del rayo a ser considerados para prueba son combinaciones de estos valores, seleccionados para representar en laboratorio el mecanismo de la falla real de una parte del SIPRA que esta siendo probado. Los criterios para la selección de las principales cantidades son dados en el numeral D.5. La Tabla D.1 presenta los valores máximos de I, Q, W/R, T y di/dt para ser considerados en las pruebas, como una función del nivel de protección requerido. D.3 REPARTICIÓN O PRORRATEO DE CORRIENTE Los parámetros dados en la Tabla D.1 son relevantes para las corrientes de rayo en el punto de impacto. De hecho la corriente fluye a tierra a través de más de un camino, tantos como conductores bajantes y conductores naturales se presenten en el SIPRA y diferentes servicios que están normalmente disponibles entrando a la estructura protegida (tuberías de agua y gas, redes de comunicaciones y energía, etc.). Para la determinación de los parámetros de la corriente real fluyendo en componentes específicas de un SIPRA, la repartición o prorrateo de la corriente debe ser tenida en cuenta. Preferiblemente, la amplitud de la corriente y la forma de onda a través de un componente en un punto específico de un SIPRA deben ser evaluadas. Cuando una evaluación no sea posible, los parámetros del rayo pueden ser evaluados por medio de los siguientes procedimientos. Para la evaluación de la repartición de corriente dentro del SIPRA externo, puede ser adoptado el factor de configuración kc (véase la NTC4552-3, Anexo C). Este factor da el prorrateo de la corriente de rayo fluyendo por los conductores bajantes del SIPRA externo bajo las peores condiciones.
- 53. NORMA TÉCNICA COLOMBIANANTC 4552-1 46 Tabla D.1. Resumen de los parámetros del rayo para considerar en el cálculo de los valores de prueba para los diferentes componentes de un SIPRA y para diferentes NPR Componentes Principales problemas Parámetros del rayo peligrosos Notas NPR Qlarga (C) T I 200 II 150 Terminales de captación Erosión en el punto de acople ( para metales delgados) III - IV 100 <1 s aplicar Qlarga un impulso simple NPR W/R (kJ/Ω) T I 10000 II 5600 Calentamiento óhmico III - IV 2500 Aplicar W/R en configuración adiabática Dimensionar con NTC 4552-3 NPR I (kA) W/R (kJ/Ω) I 200 10000 II 150 5600 Terminales de captación y conductores bajantes Efectos mecánicos III - IV 100 2500 NPR I (kA) W/R (kJ/Ω) T I 200 10000 II 150 5600 Conexiones Efectos combinados (térmicos, mecánicos y chispas) III - IV 100 2500 <2 ms aplicar I y W/R impulso simple NPR Qlarga (C) T I 200 II 150 Puesta a tierra Erosión en el punto de acople III - IV 100 <1 s aplicar Qlarga un impulso simple Dimensionar por aspectos mecánicos y químicos NPR I (kA) Qcorta (C) W/R (kJ/Ω) di/dt (kA/µs) I 200 100 10000 200 II 150 75 5600 150 DPS con spark gaps Efectos combinados (térmicos, mecánicos y chispas III - IV 100 50 2500 100 Aplicar I, Qcorto W/R impulso simple. T<2ms, aplicar Δi/Δt pulsos separados NPR Qcorta (C) I 100 II 75 Efectos energéticos (sobrecarga) III - IV 50 Deben examinarse ambos aspectos NPR I (kA) T I 200 II 150 DPS de óxidos metálicos Efectos dieléctricos (flameo) III - IV 100 < 2 ms (aplicar I en un impulso simple) Deben considerarse pruebas independientes Las aproximaciones descritas anteriormente son aplicables para la evaluación del valor pico de la corriente fluyendo por un camino particular a tierra. El calculo de los otros parámetros de la corriente son evaluados como sigue: kII p = (D.1) kQQp = (D.2) ( ) ( )R Wk R W P 2 = (D.3) ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ =⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ dt di k dt di p (D.4)
- 54. NORMA TÉCNICA COLOMBIANANTC 4552-1 47 en donde xp valor de la cantidad considerada (corriente pico Ip, carga Qp, energía especifica (W/R)p, pendiente de la corriente (di/dt)p) relevante para un camino particular a tierra “p”. x: valor de la cantidad considerada (corriente I, carga Q, energía especifica (W/R), pendiente de la corriente (di/dt)) relevante para la corriente total k: factor de prorrateo de la corriente kc factor de prorrateo para el SIPRA externo (véase la NTC 4552-3 Anexo C) ke, k´e factor de prorrateo en presencia de partes conductoras externas y redes de energía o telecomunicaciones entrando a la estructura protegida (véase la NTC 4552-2, la NTC 4552-3, Anexo A). D.4 EFECTOS DE LOS PARÁMETROS DEL RAYO D.4.1 Efectos térmicos Los efectos térmicos relacionados con los parámetros del rayo son relevantes para el calentamiento resistivo causado por la circulación de una corriente eléctrica fluyendo a través de un conductor o dentro de un SIPRA y por el calor generado en la base de los arcos en el punto de acople o impacto y en todas las partes aisladas de un SIPRA envuelto en el desarrollo del arco (por ejemplo “spark gaps”). D.4.1.1 Calentamiento resistivo El calentamiento resistivo se presenta en cualquier componente de un SIPRA portando una parte significativa de la corriente del rayo. El área transversal mínima de los conductores debe ser lo suficiente para prevenir sobrecalentamientos de los conductores y peligros de fuego a su alrededor. Además de los aspectos térmicos, también los esfuerzos mecánicos y criterios de durabilidad deben ser considerados para las partes expuestas a condiciones atmosféricas de corrosión. La evaluación del conductor calentado, debido a corrientes de rayo fluyendo, es algunas veces necesaria cuando los problemas pueden aumentar debido al riesgo de lesiones personales y de fuego o daños por explosión. A continuación se da una guía para evaluar el aumento de la temperatura de los conductores sometidos al flujo de una corriente de rayo. Una aproximación analítica se presenta a continuación: La potencia instantánea disipada como calor en un conductor debida a una corriente eléctrica es: ( ) RitP 2 = (D.5) La energía térmica generada por el pulso completo de corriente es, entonces, la resistencia óhmica del camino del rayo a través del componente del SIPRA considerado, multiplicado por la energía específica del pulso y es expresada en Julios o Vatios-segundos. ∫⋅= dtiRW 2 (D.6) En una descarga eléctrica atmosférica las fases altas de la energía específica del rayo son de muy corta duración para cualquier calor generado en la estructura y ser disipada significativamente. El fenómeno debe ser, entonces, considerado como adiabático.
- 55. NORMA TÉCNICA COLOMBIANANTC 4552-1 48 La temperatura de los conductores del SIPRA puede ser evaluada como sigue: ⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ ⎟ ⎟ ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ ⋅γ⋅ ρ⋅α⋅ α =θ−θ wCq R W exp 2 0 0 1 (D.7) en donde θ-θ0 = aumento de temperatura de los conductores [K] α = coeficiente de temperatura del conductor [1/K] W/R = energía especifica de los conductores [J/Ω] ρ0 = resistencia óhmica especifica del conductor a temperatura ambiente [Ωm] q = área de la sección transversal del conductor [m 2 ] γ = densidad del material [kg/m 3 ] Cw = capacidad térmica [J/kgK] θs = temperatura de fusión [ o C] cs: = calor latente de fusión [J/kg] En la Tabla D.2 se presentan los valores característicos de los parámetros físicos reportados en la ecuación (D.7), para diferentes materiales usados en un SIPRA. La Tabla D.3 presenta, a manera de ejemplo de aplicación de esta ecuación, el aumento de temperatura de conductores fabricados de diferentes materiales, como una función de la W/R y del área de la sección transversal. La descarga típica de un rayo se caracteriza por un impacto de corta duración (valor del tiempo al 50 %, aproximadamente 100 µs) y un alto valor pico de corriente; bajo estas circunstancias, el efecto piel debe también ser considerado. Sin embargo, en muchos casos prácticos asociados con componentes de un SIPRA, las características de los materiales (permeabilidad magnética dinámica de los conductores de un SIPRA) y las configuraciones geométricas (área de la sección transversal del conductor de un SIPRA) reduce a niveles despreciables la contribución del efecto piel al aumentar la temperatura del conductor. La componente del rayo más relevante para estos mecanismos de calentamiento es la primera descarga de retorno. Tabla D.2. Características físicas de materiales típicos usados en componentes de un SIPRA Material Cantidad Aluminio Acero templado Cobre Acero inoxidable (*) ρ0 [Ωm] 29.10 -9 120.10 -9 17,8.10 -9 0,7.10 -6 α [1/K] 4.10 -3 6,5.10 -3 3,92.10 -3 0,8.10 -3 γ [kg/m 3 ] 2700 7700 8920 8.10 3 θs [o C] 658 1530 1080 1500 Cs [J/kg] 397.10 3 272.10 3 209.10 3 - Cw [J/kgK] 908 469 385 500 (*) no magnético Tabla D.3. Aumento de temperatura para conductores de diferentes secciones como una función de W/R
- 56. NORMA TÉCNICA COLOMBIANANTC 4552-1 49 Material Aluminio Acero templado Cobre Acero inoxidable (*) W/R [MJ/Ω] W/R [MJ/Ω] W/R [MJ/Ω] W/R [MJ/Ω] Sección Transv. [mm 2 ] 2,5 5,6 10 2,5 5,6 10 2,5 5,6 10 2,5 5,6 10 4 - - - - - - - - - - - - 10 564 - - - - - 169 542 - - - - 16 146 454 - 1120 - - 56 143 309 - - - 25 52 132 283 211 913 - 22 51 98 940 - - 50 12 28 52 37 96 211 5 12 22 190 460 940 100 3 7 12 9 20 37 1 3 5 45 100 190 (*) no magnético D.4.1.2 Daño en el punto de acople térmico El daño en el punto de acople térmico puede ser observado sobre todas las componentes de un SIPRA sobre el cual se desarrolla un arco, por ejemplo sistemas de captación, vías de chispa (Spark-Gaps), etc. La fusión y erosión del material puede ocurrir en el punto de acople; de hecho, en el área de la base del arco existe una entrada térmica alta del arco mismo, así como una concentración de calentamiento óhmico debido a la alta densidad de corriente. Mucha de la energía térmica es generada en o muy cerca de la superficie del metal. El calor generado en las inmediaciones del área base es tan alto que puede ser absorbido por el material por conducción y el exceso se pierde en fusión o vaporización del material o es irradiado. La severidad del proceso esta relacionado con la amplitud de la corriente y la duración. D.4.1.2.1 General Se han desarrollado varios modelos teóricos para el cálculo de los efectos térmicos en el punto de acople del canal de la descarga sobre superficies metálicas. En aras de lograr simplicidad, este documento presenta solamente el modelo de caída de tensión ánodo – o – cátodo. La aplicación de este modelo es particularmente efectiva para metales delgados. En todos los casos los resultados son conservativos, debido a que el modelo postula que toda la energía inyectada en el punto de acople de la descarga es usada para fusionar o vaporizar el material conductor, despreciando la difusión de calor dentro del material. Otros modelos introducen la dependencia del daño en el punto de acople de la descarga en la duración del impulso de la corriente. D.4.1.2.2 Modelo de caída de tensión Ánodo – o- Cátodo La energía de entrada W en la base del arco se asume como dada por la caída de tensión ánodo-cátodo ua.c multiplicada por la carga Q de la corriente del rayo. ∫ ∫ ⋅==⋅= QuidtuidtuW acacac (D.8) Como ua.c es prácticamente constante en el rango de corriente considerado aquí, la carga de la corriente de rayo (Q) es la principal responsable por la conversión de energía en la base del arco. La caída de tensión en el ánodo-cátodo ua.c tiene un valor de pocas decenas de voltios.
- 57. NORMA TÉCNICA COLOMBIANANTC 4552-1 50 Una aproximación simplificada asume que toda la energía desarrollada en la base del arco es usada solo para fusión. La siguiente ecuación (D.9) usa esta suposición pero lleva a una sobreestimación del volumen fusionado. ( ) susw ac CC . Qu V +θ−θγ ⋅ = 1 (D.9) en donde V = volumen del metal fusionado [m3 ] Ua.c = caída de tensión ánodo-cátodo (asumida como constante) [V] Q = carga de la corriente del rayo [C] γ = densidad del material [kg/m 3 ] cw = capacidad térmica [J/kgK] θs = temperatura de fusión [ o C] θu = temperatura ambiente [o C] cs = calor latente de fusión [J/kg] Valores característicos de los parámetros físicos reportados en esta ecuación, para diferentes materiales usados en un SIPRA se presentan en la Tabla D.2. Básicamente, la carga a ser considerada es la suma de la descarga de retorno y la corriente continua del rayo; pruebas de laboratorio han revelado que los efectos de la carga de retorno son de menor importancia si se compara con los efectos de la corriente continua. D.4.2 Efectos mecánicos Los efectos mecánicos causados por la corriente del rayo dependen de la amplitud y su duración, así como de las características elásticas de la estructura mecánica afectada y de las fuerzas de fricción actuando entre las partes de un SIPRA en contacto con otro, si este último es relevante. D.4.2.1 Interacción magnética Las fuerzas magnéticas ocurren entre 2 conductores transportando corriente o si uno de los conductores forma una esquina o un lazo. Cuando una corriente fluye a través de un circuito, la amplitud de las fuerzas electrodinámicas desarrolladas en varios sitios del circuito, depende tanto de la amplitud de la corriente del rayo como de la configuración geométrica del circuito. Los efectos mecánicos de estas fuerzas, si embargo, dependen no solo de su amplitud, sino de la forma general de la corriente y su duración, así como de la configuración geométrica de la instalación. D.4.2.1.1 Fuerzas electrodinámicas Las fuerzas electrodinámicas desarrolladas por una corriente i fluyendo dentro del conductor que tiene una longitud paralela l y una distancia d (lazo largo y pequeño) se muestran en la Figura D.1 y pueden ser calculadas usando la siguiente ecuación:
- 58. NORMA TÉCNICA COLOMBIANANTC 4552-1 51 ( ) d dti d dtitF 1 102 1 2 2720 ⋅⋅=⋅⋅= − π μ (D.10) en donde F(t) = fuerza electrodinámica [N] i = corriente [A] µ0 = permitividad magnética del aire (4π10 -7 H/m) l: = longitud de los conductores [m] d = distancia entre la sección recta paralela del conductor [m] d - ll α i Figura D.1. Arreglo general de dos conductores para el cálculo de fuerzas electrodinámicas Un típico SIPRA consta de un arreglo simétrico de conductores, formando un ángulo de 90o uno con otro, con una abrazadera colocada cerca de la esquina, como se muestra en la Figura D.2. El diagrama de esfuerzos para esta configuración se presenta en la Figura D.3. La fuerza axial sobre el conductor tiende a halar el conductor hacia fuera de la abrazadera. El valor numérico de la fuerza a lo largo del conductor horizontal, considerando un valor de corriente pico de 100 kA y una longitud de un conductor vertical de 0,5 m, se muestra en la Figura D.4. d i ó -i
- 59. NORMA TÉCNICA COLOMBIANANTC 4552-1 52 a l l Figura D.2 Arreglo de conductor típico en un SIPRA F F Figura D.3. Diagrama de los esfuerzos para la configuración de la Figura D.2 a
- 60. NORMA TÉCNICA COLOMBIANANTC 4552-1 53 0 10 20 30 40 80 0,1 L m 50 60 70 0,2 0,3 0,4 0,5 NOTA Valor pico de corriente 100kA y longitud vertical del conductor 0,5m. Figura D.4 Fuerza por unidad de longitud a lo largo del conductor horizontal de la Figura D.2 D.4.2.1.2 Efectos de fuerza Electrodinámicas En términos de amplitud de la fuerza aplicada, el valor instantáneo de la fuerza electrodinámica, F(t), es proporcional al cuadrado de la corriente instantánea I(t)2 . En términos del esfuerzo desarrollado dentro de la estructura mecánica del SIPRA, expresado por el producto δ(t)*k de la deformación elástica δ(t), por la constante elástica k de la estructura del SIPRA, dos efectos deben ser considerados. La frecuencia mecánica natural (vinculado con el comportamiento elástico de la estructura del SIPRA) y la deformación permanente de la estructura del SIPRA, (relacionada con su comportamiento plástico) son los parámetros más importantes. Adicionalmente, en muchos casos el efecto de las fuerzas de fricción dentro de la estructura es de gran importancia. La amplitud de las vibraciones de la estructura elástica del SIPRA causada por una fuerza electrodinámica desarrollada por la corriente del rayo, puede ser evaluada por medio de ecuaciones diferenciales de segundo orden; el factor clave a este respecto es la relación entre la duración del impulso de corriente y el periodo de la oscilación natural de la estructura del SIPRA. La condición típica encontrada en un SIPRA consiste de periodos de oscilación natural de la estructura mucho mayores que el de la fuerza aplicada (duración del impulso de corriente). En este caso el máximo esfuerzo mecánico ocurre después de que termina el impulso de corriente y tiene un valor pico que se mantiene más bajo que el de la fuerza aplicada y puede, en muchos casos, ser despreciada. La deformación plástica ocurre cuando el esfuerzo extensible supera el límite elástico del material. Si el material de la estructura del SIPRA es blando, como el aluminio o el cobre recocido, las fuerzas electrodinámicas pueden deformar los conductores en las esquinas y lazos. Los componentes del SIPRA podrían, entonces, ser diseñados para soportar estas fuerzas y mostrar esencialmente un comportamiento elástico.
- 61. NORMA TÉCNICA COLOMBIANANTC 4552-1 54 El esfuerzo mecánico total aplicado a la estructura de un SIPRA depende de la integral de tiempo de la fuerza aplicada y, por lo tanto, de la energía específica asociada con el impulso de corriente, pero también de la forma de onda del impulso de la corriente y su duración (comparada con el período de la oscilación natural de la estructura). Toda esta influencia de parámetros debe, entonces, ser tenida en cuenta durante las pruebas. D.4.2.2 Daños por ondas de choque acústicas Cuando una corriente de rayo fluye en un arco, se produce una onda de choque. La severidad del choque depende del valor pico de la corriente y la rata de aumento de la corriente. En general, el daño debido al valor de la onda del choque acústico es insignificante en partes metálicas del SIPRA, pero puede causar daños en componentes cercanos. D.4.3 Efectos combinados En la práctica tanto los efectos mecánicos como térmicos ocurren simultáneamente. Si el calentamiento de los componentes del material (varillas, grapas, etc.) es suficiente para ablandar los materiales, pueden ocurrir daños mucho mayores que el daño que puede ocurrir de otra manera; en un caso extremo el conductor podría fundirse y causar daños considerables en las vecindades de la estructura. Si la sección transversal del metal es suficiente para portar la energía de una forma segura, debe entonces ser examinada la integridad mecánica. D.4.4 Chispas En términos generales, los arcos o chispas son importantes solamente en ambientes inflamables; para componentes del SIPRA, en muchos casos prácticos, las chispas no son importantes. Pueden ocurrir dos tipos de chispas, por ejemplo “chispas térmicas” y “chispas por tensión”. Las chispas térmicas ocurren cuando una muy alta corriente es forzada a cruzar una unión entre dos materiales conductores. Muchas chispas térmicas ocurren cerca de los bordes de una unión si la presión de interfase es muy baja; la primera causa es una alta densidad de corriente y una presión de interfase inadecuada. La intensidad de las chispas térmicas está unida a la energía específica y, por lo tanto, la fase más crítica del rayo es la primera descarga de retorno. Las chispas por tensión ocurren cuando la corriente es forzada a tomar caminos complejos, por ejemplo dentro de una unión, si la tensión inducida en un lazo excede la tensión disruptiva entre partes del metal. La tensión inducida es proporcional a la inductancia mutua multiplicada por la pendiente de la corriente del rayo. La componente más crítica de la componente del rayo para la chispa por tensión es, entonces, la descarga negativa subsecuente. D.5 COMPONENTES DE UN SIPRA, PROBLEMAS RELEVANTES Y PARÁMETROS DE PRUEBA Los SIPRA son hechos de diferentes componentes, cada uno con una función específica dentro del sistema. La naturaleza de los componentes y el esfuerzo específico al cual ellos están sometidos, requieren consideración especial cuando se realizan pruebas de laboratorio para examinar su comportamiento. D.5.1 Terminal de captación (Air Terminal) Los efectos sobre los pararrayos aumentan por los efectos térmicos y mecánicos (tal como se discute en el numeral D.5.2, notando que una alta proporción de la corriente del rayo fluirá en un conductor de pararrayos impactado) y también en algunos casos por efectos de erosión por el arco, particularmente en componentes naturales de un SIPRA como metales delgados
- 62. NORMA TÉCNICA COLOMBIANANTC 4552-1 55 (donde pueden ocurrir perforaciones o aumento excesivo de la temperatura en la superficie) y conductores suspendidos. Para efectos de erosión por arcos, se deben considerar dos parámetros de prueba principalmente: la carga de la descarga de larga duración y su duración. La carga gobierna la energía de entrada en la base del arco. En particular las descargas de larga duración parecen ser las más severas para este efecto, mientras que las descargas de corta duración pueden ser despreciadas. La duración de la corriente tiene un importante papel en el fenómeno de la transferencia de calor dentro del material. La duración de la corriente aplicada durante las pruebas debe ser comparable con las descargas de larga duración (0,5 a 1 s). D.5.2 Conductores bajantes (Down Conductors) Los efectos causados por impactos de rayos sobre los conductores pueden ser divididos en 2 categorías: - Efectos térmicos debido a calentamiento resistivo - Efectos mecánicos relacionados con la interacción magnética donde la corriente del rayo es compartida por conductores colocados cerca uno de otro o cuando se presentan cambios en la dirección de la corriente (curvas o conexiones entre conductores colocados en un ángulo dado respecto a otro) En muchos casos estos dos efectos actúan independientemente y las pruebas de laboratorio deben ser llevadas a acabo para examinar cada efecto. Esta aproximación puede ser adoptada en todos los casos en los cuales el calor desarrollado por la corriente fluyendo no modifica substancialmente las características mecánicas. D.5.2.1 Calentamiento resistivo Los cálculos y las medidas del calentamiento de los conductores de diferentes secciones transversales y materiales causado por el flujo de una corriente de rayo, ha sido publicada por varios autores y el principal resultado en términos de gráficos y formulas se resume en el numeral D.4.1.1. Ninguna prueba de laboratorio es, entonces, necesaria, en general, para examinar el comportamiento de un conductor desde el punto de vista del aumento de temperatura. En todos los casos para los cuales se requiere pruebas de laboratorio, las siguientes consideraciones deben ser tenidas en cuenta. - Los principales parámetros de prueba a ser considerados en este caso son la energía específica y la duración del impulso de corriente. - La energía específica gobierna el aumento de temperatura debido al efecto Joule causado por el flujo de la corriente de rayo. Los valores numéricos a ser considerados son aquellos relevantes a la primera descarga. Los datos conservativos son obtenidos considerando descargas positivas. - La duración del impulso de corriente tiene una influencia decisiva en el proceso de intercambio de calor respecto al ambiente circundante del conductor considerado. En muchos casos la duración del impulso de corriente es tan corta que el proceso de calentamiento puede ser considerado adiabático.
- 63. NORMA TÉCNICA COLOMBIANANTC 4552-1 56 D.5.2.2 Efectos mecánicos Como se discutió en el numeral D.4.2.1 las interacciones mecánicas son desarrolladas entre conductores que llevan la corriente del rayo: la fuerza es proporcional al producto de la corriente que fluye por los conductores (o el cuadrado de la corriente si se considera un solo conductor doblado) y el inverso de la distancia entre conductores. La situación normal en la cual puede ocurrir un efecto visible es cuando un conductor forma un lazo o está doblado. Cuando tal conductor transporta una corriente de rayo, este estará sometido a una fuerza mecánica que trata de extender el lazo y a enderezar la esquina y, por lo tanto a doblarlo hacia fuera. La magnitud de esta fuerza es proporcional al cuadrado de la amplitud de la corriente. Se debe hacer una clara distinción entre la fuerza electrodinámica, la cual es proporcional al cuadrado de la amplitud de la corriente, y el correspondiente esfuerzo que depende de las características elásticas de la estructura mecánica del SIPRA. Para estructuras de un SIPRA de relativa baja frecuencia natural, el esfuerzo desarrollado dentro de la estructura del SIPRA podría ser considerablemente menor que la fuerza electrodinámica. En este caso, ninguna prueba de laboratorio es necesaria, en general, para examinar el comportamiento de un conductor doblado en ángulo recto desde el punto de vista mecánico, mientras se satisfagan los requerimientos de las áreas de sección transversal de la presente norma. En todos los casos para los cuales se requieran pruebas de laboratorio (especialmente para materiales blandos), las siguientes consideraciones deben ser tenidas en cuenta. Tres parámetros de la primera descarga de retorno deben ser consideradas en este caso: la duración, la energía específica del impulso de corriente y, en el caso de sistemas rígidos, la amplitud de la corriente. La duración del impulso de corriente, comparado con el período de la oscilación mecánica natural de la estructura del SIPRA gobierna el tipo de respuesta mecánica del sistema en términos de desplazamiento. - Si la duración del impulso es mucho menor que el periodo de la oscilación mecánica natural de la estructura del SIPRA (caso normal para estructuras de un SIPRA esforzadas por impulsos de rayo), la masa y la elasticidad del sistema previene de desplazamientos apreciables y los esfuerzos mecánicos relevantes se relacionan esencialmente a la energía específica del impulso de la corriente; el valor pico del impulso de corriente tiene un efecto limitado. - Si la duración del impulso es comparable con, o mayor que, el período de la oscilación mecánica natural de la estructura, el desplazamiento del sistema es más sensible a la forma de onda del esfuerzo aplicado: en este caso el valor pico del impulso de corriente y su energía específica necesita ser reproducida durante la prueba. La energía específica del impulso de la corriente gobierna el esfuerzo que causa la deformación elástica y plástica de la estructura del SIPRA. Los valores numéricos a ser considerados son aquellos que son relevantes para la primera descarga. Los valores máximos del impulso de la corriente gobiernan la longitud del máximo desplazamiento de la estructura del SIPRA, en caso de sistemas rígidos, teniendo altas frecuencias naturales de oscilación. Los valores numéricos a ser considerados son aquellos relevantes para la primera descarga. D.5.3 Conexiones Las conexiones entre conductores adyacentes de un SIPRA son puntos mecánicos y térmicos vulnerables donde pueden presentarse grandes esfuerzos.
- 64. NORMA TÉCNICA COLOMBIANANTC 4552-1 57 En el caso de un conector colocado de tal manera que hace un ángulo recto con otro conductor, el principal efecto del esfuerzo tiene que ver con fuerzas mecánicas que tienden a enderezar el conductor con fuerzas de fricción interactuando entre los componentes con posibles desarrollos de arcos en los puntos de contacto de las diferentes partes. Adicionalmente, el efecto de calentamiento causado por la concentración de corriente sobre pequeñas superficies de contacto no es despreciable. Pruebas de laboratorio han mostrado que es difícil separar cada uno de los efectos que se dan como un sistema sinérgico: el esfuerzo mecánico se ve afectado por fusiones locales del área de contacto, desplazamientos relativos entre partes de la conexión estimula el desarrollo de arcos y la consecuente generación intensa de calor, etc. Ante la ausencia de un modelo válido, las pruebas de laboratorio deben ser elaboradas de tal forma que representen los parámetros del rayo lo más cercano posible a una situación crítica: los parámetros del rayo deben ser aplicados por medio de una prueba eléctrica sencilla. Tres parámetros deben ser considerados en este caso: la corriente pico, la energía específica y la duración del impuso de la corriente. Los valores máximos del impulsos de la corriente manejan la fuerza máxima o, si después de un impulso electrodinámico que excede la fuerza de fricción, la longitud del máximo desplazamiento de la estructura de un SIPRA. Los valores numéricos a ser considerados son aquellos que son relevantes para la primera descarga. Los datos conservativos son obtenidos considerando descargas positivas. La energía específica del impulso de la corriente maneja el calentamiento de las superficies en contacto, donde la corriente esta concentrada sobre áreas pequeñas. Los valores numéricos a ser considerados son aquellos relevantes para la primera descarga. Los datos conservativos son obtenidos considerando descargas positivas. La duración del impulso de corriente maneja el desplazamiento máximo de la estructura, después de que las fuerzas de fricción son excedidas y tienen un importante papel en el fenómeno de transferencia de calor dentro del material. D.5.4 Puesta a tierra de protección contra rayos Los problemas reales con los electrodos de puesta a tierra están relacionados con la corrosión química y los daños mecánicos causados por otras fuerzas electrodinámicas. En casos prácticos, la erosión del electrodo de puesta a tierra en el origen del arco es de menor importancia. Sin embargo, debe considerarse que, contrario a los pararrayos, un SIPRA típico tiene varias puestas a tierra, por tanto, las corrientes de rayo se comparten entre varios electrodos que causan efectos menos importantes. Dos parámetros importantes de prueba deben ser considerados en este caso: la carga del impulso de corriente de larga duración y su duración. La carga maneja la energía inicial del origen del arco. En particular, la contribución de la primera descarga puede ser despreciada, mientras los impactos de larga duración parecen ser los más severos para este componente. La duración del impulso de corriente tiene un importante papel en el fenómeno de transferencia de calor dentro del material. La duración del impulso de corriente aplicado durante las pruebas, debe ser comparable con las descargas de larga duración (0,5 s a 1 s).
- 65. NORMA TÉCNICA COLOMBIANANTC 4552-1 58 D.6 DISPOSITIVOS DE PROTECCIÓN CONTRA SOBRETENSIONES (DPS) El efecto del esfuerzo sobre un DPS causado por rayos depende del tipo de DPS considerado, en particular con la presencia o ausencia de espacios (Gap). D.6.1 DPS que contienen espacios (Spark Gaps) Los efectos sobre Spark Gaps causados por rayos pueden ser divididos en dos grandes categorías: - La erosión de los electrodos por calentamiento, fusión y vaporización del material. - Los esfuerzos mecánicos causados por la onda de choque de la descarga. Es extremadamente difícil investigar separadamente estos efectos, ambos están relacionados con los principales parámetros del rayo por medio de relaciones complejas. Para Spark Gaps las pruebas de laboratorio deben ser realizadas de tal forma que representen lo más aproximado posible los parámetros del rayo en la situación más crítica: todos los parámetros apropiados del rayo son aplicados por medio de un esfuerzo eléctrico simple. Cinco parámetros deben ser considerados en este caso: el valor pico, la carga, la duración, la energía específica y la rata de aumento del impulso de la corriente. El valor pico de la corriente maneja la severidad de la onda de choque. Los valores numéricos a ser considerados son aquellos relevantes de la primera descarga. Los datos conservativos son obtenidos considerando descargas positivas. La carga maneja la energía inicial en el arco, la cual calentará, fusionará y vaporizará parte del material del electrodo en el punto de acople del arco. Los valores numéricos a ser considerados son aquellos relevantes a todas las descargas. En particular, la carga de la corriente de larga duración puede ser depreciada en muchos casos, dependiendo de la configuración del sistema de alimentación de energía (TN, TT, IT). La duración del impulso de la corriente maneja el fenómeno de transferencia de calor dentro de la masa del electrodo y la consiguiente propagación del frente de fusión. La energía específica del impulso de la corriente maneja la compresión auto magnética del arco y la física del plasma del electrodo desarrollada en la interfase entre la superficie del electrodo y el arco, el cual puede apagar por soplado una cantidad significante de material fusionado. Los valores numéricos a ser considerados son aquellos relevantes de la primera descarga. Los valores conservativos son obtenidos considerando las descargas positivas. NOTA Para Spark Gaps usados en sistemas de potencia, la posible frecuencia industrial de la corriente constituye un importante factor de esfuerzo a ser tenido en cuenta. D.6.2 DPS construidos con óxidos metálicos El esfuerzo de varistores metálicos causado por rayos puede ser dividido en dos principales categorías: sobrecarga y flameo. Cada categoría está caracterizada por modos de falla generados por diferentes fenómenos y manejados por diferentes parámetros. La falla de un DPS de óxidos metálicos esta relacionada con sus características débiles, por lo tanto es improbable que la sinergia entre diferentes esfuerzos fatales pueda ocurrir. Parece entonces aceptable llevar a cabo pruebas separadas para examinar el desarrollo bajo cada condición de falla.
- 66. NORMA TÉCNICA COLOMBIANANTC 4552-1 59 Las sobrecargas son causadas por una cantidad de energía absorbida que excede la capacidad del dispositivo. La excesiva energía considerada aquí está relacionada al esfuerzo mismo del rayo; sin embargo, debe considerarse que, para DPS conectados a sistemas de energía, la corriente inyectada al dispositivo por el sistema de energía, después de terminar el flujo de corriente o por inestabilidad térmica bajo la tensión aplicada relacionada con el coeficiente negativo de temperatura de la característica tensión-corriente de la resistencia, puede también jugar un papel importante en el daño letal del DPS. Para la simulación de la sobrecarga de varistores de óxidos metálicos un parámetro importante a ser considerado es la carga. La carga maneja la energía inicial en el bloque de resistencias de óxidos metálicos, considerando como una constante la tensión residual del bloque de resistencias. Los valores numéricos a ser considerados son aquellos relevantes a la primera descarga. Los flameos y fracturas son causadas por la amplitud del impulso de corriente que excede la capacidad de las resistencias. El modo de falla es evidenciado generalmente por un flameo externo a lo largo del collar de resistencias, algunas veces penetrando el bloque causando una fractura o un orificio perpendicular al collar. La falla está principalmente relacionada con un colapso dieléctrico del collar del bloque de resistencias. Para la simulación del fenómeno del rayo, se deben considerar principalmente dos parámetros: el valor máximo y la duración del impulso de la corriente. El valor máximo del impulso de la corriente determina, a través del correspondiente nivel de tensión residual, si la rigidez máxima dieléctrica sobre el collar de resistencias es excedida. Los valores numéricos a ser considerados son aquellos relevantes a la primera descarga. Los datos conservativos son obtenidos considerando descargas positivas. La duración del impulso de la corriente maneja la duración de la aplicación del esfuerzo dieléctrico del collar de resistencias. D.7 RESUMEN DE LOS PARÁMETROS DE PRUEBA A SER ADOPTADOS EN PRUEBAS DE COMPONENTES DE SIPRA La Tabla D.1 resume los aspectos más críticos de cada componente de un SIPRA durante el comportamiento de su función y da los parámetros del rayo a ser reproducidos en pruebas de laboratorio. Los valores numéricos dados en la Tabla D.1 son relevantes a los parámetros del rayo de importancia en el punto de impacto. Los valores de prueba deben ser calculados considerando la corriente compartida la cual puede ser expresada por medio del factor de corriente compartida como se explica en el numeral D.3. Los valores numéricos de los parámetros a ser usados durante las pruebas pueden, entonces, ser calculados sobre la base de los datos dados en la Tabla D.1, aplicando los factores de reducción relacionados con la corriente compartida, como está expresada en la fórmula reportada en el numeral D.3.
- 67. NORMA TÉCNICA COLOMBIANANTC 4552-1 60 ANEXO E (Informativo) SOBRETENSIONES DEBIDAS A IMPACTOS DE RAYOS EN DIFERENTES PUNTOS DE LA INSTALACIÓN E.1 GENERALIDADES Para el dimensionamiento de los conductores, DPS y otros dispositivos, el peligro debido a sobretensiones en algún punto de la instalación o de sus componentes puede ser determinado. Las sobretensiones se pueden originar por corrientes (parciales) de rayo y por efectos de inducción en lazos existentes dentro de la instalación. El peligro debido a estas sobretensiones debe ser menor que la rigidez dieléctrica de los componentes usados en la protección (la rigidez es definida en pruebas adecuadas para cada dispositivo). E.2 SOBRETENSIONES DEBIDAS A IMPACTOS A LA ESTRUCTURA (FUENTE DE DAÑO S1) E.2.1 Sobretensiones fluyendo a través de partes conductoras externas y líneas conectadas a la estructura Cuando es conducida a tierra, la corriente de rayo se divide entre las terminales del sistema de puesta a tierra, las partes externas conductoras y las líneas, directamente o por medio de DPS conectados a ellas. Si IkI cf = (E.1) es la porción de la corriente de rayo relevante a cada parte conductora externa o a cada línea, entonces ke depende de: - el número de caminos en paralelo - la impedancia convencional de puesta a tierra para partes subterráneas, o la resistencia a tierra para partes aéreas, en los casos en los que las partes aéreas se encuentren conectadas al suelo (enterramientos). - la impedancia convencional de los terminales de conexión del sistema de puesta a tierra. Para cada tipo de instalación, ke se puede calcular como: - instalaciones subterráneas: ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ ++ = 2 1 122 Z Z nnZZ Z kc (E.2) - instalaciones aéreas: ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ ++ = 1 2 122 Z Z nnZZ Z kc (E.3)
- 68. NORMA TÉCNICA COLOMBIANANTC 4552-1 61 en donde Z es la impedancia convencional de los terminales de conexión del sistema de puesta a tierra Z1 es la impedancia convencional de puesta a tierra de partes externas o de líneas subterráneas (Tabla E.1). Z2 es la resistencia de la configuración de puesta a tierra de las líneas aéreas. Si la resistencia de puesta a tierra del punto no es conocida, el valor de Z1 mostrado en la Tabla E.1 puede ser usado (donde la resistividad es relevante en el punto de puesta a tierra). NOTA Este valor es asumido en la formula anterior en cada punto de puesta a tierra. Si este no es el caso, ecuaciones más complejas deben ser usadas. n1 es el número total de partes externas o líneas que son subterráneas n2 es el número total de partes externas o líneas que son aéreas I es la corriente de rayo relevante para cada NPR considerado Tabla E.1 Valores de impedancia convencional de puesta a tierra Z y Z1 de acuerdo con la resistividad del suelo. Z [Ω] Impedancia convencional de puesta a tierra relativa a cada NPR ρ [Ω⋅m] Z1 [Ω] I II III - IV ≤100 8 4 6 10 200 11 10 10 10 500 16 4 6 10 1000 22 15 15 15 2000 28 4 6 10 3000 35 20 40 60 NOTA Los valores reportados en esta tabla hacen referencia a la impedancia convencional de puesta a tierra de un conductor enterrado, bajo una onda impulso (10/350μs) Asumiendo como una primera aproximación que la mitad de la corriente de rayo fluye en los terminales de conexión del sistema de puesta a tierra y que Z1=Z2, el valor de ke puede ser evaluado para una parte externa conductora o para una línea como: 21 50 nn , kc + = (E.4) Si las líneas entrantes (ej. líneas eléctricas o de telecomunicaciones) no se encuentran apantalladas o dentro de ductos metálicos, cada uno de los n’ conductores llevan una parte igual de la corriente de rayo n k k e e ′ =′ (E.5)
- 69. NORMA TÉCNICA COLOMBIANANTC 4552-1 62 siendo n’ el número total de conductores. Para líneas apantalladas afianzadas a la entrada, los valores de corriente por cada n’ conductor de la acometida apantallada está dado por: cs se e RRn Rk k +⋅′ ⋅ =′ (E.6) en donde Rs es la resistencia óhmica por unidad de longitud del apantallamiento Rc es la resistencia óhmica por unidad de longitud del conductor interior NOTA Esta formula puede subestimar el efecto del apantallamiento en la conducción de la corriente de rayo debido a la mutua inductancia entre el cobre y la pantalla. E.2.2 Factores que influyen en la repartición de la corriente de rayo en las líneas de potencia eléctrica Para cálculos detallados muchos factores pueden influenciar la amplitud y la forma de onda de la sobretensión: - la longitud del cable puede influenciar le repartición de la corriente y las características de la forma de onda debido a la relación L/R; - las diferencia de impedancias del conductor de neutro y de fase pueden influenciar la cantidad de corriente repartida en los conductores de la línea; EJEMPLO si el conductor de neutro (N) tiene múltiples conexiones a tierra, una impedancia de N mucho menor comparada con L1, L2 y L3 podría implicar que el 50% de la corriente fluiría por el conductor N y el otro 50 % sería repartido por las otras líneas (L1, L2 y L3 con 17 % cada una). Si N, L1, L2 y L3 tienen la misma impedancia, cada conductor llevaría aproximadamente la misma porción de corriente (25 % cada uno). - las diferentes impedancias de los transformadores pueden influenciar la repartición de corriente (este efecto es despreciable si el transformador esa protegido con DPS); - la relación entre las resistencias convencionales de puesta a tierra del trasformador y los elementos del lado de la carga pueden influenciar la repartición de corriente (a menor impedancia del transformador, mayor sobrecorriente fluye al sistema de baja tensión); - usuarios en paralelo ocasionan una reducción de la impedancia efectiva del sistema de baja tensión, lo cual puede incrementar la porción de la corriente de rayo que fluye en dicho sistema. E.3 SOBRETENSIONES RELACIONADAS CON ACOMETIDAS DE SERVICIOS CONECTADAS A LA ESTRUCTURA E.3.1 Sobretensiones debidas a impactos en la acometida de servicios (Fuente de daño S3) Para impactos directos en la acometida de servicios, la partición de la corriente de rayo en ambas direcciones de la acometida y la falla del aislamiento deben ser tenidas en cuenta.
- 70. NORMA TÉCNICA COLOMBIANANTC 4552-1 63 La selección del valor de Iimp puede basarse en valores dados en la Tabla E.2 donde los valores usuales de Iimp están asociados con los niveles de protección contra rayos NPR. Tabla E.2. Sobrecorrientes esperadas debidas a impactos de rayo Sistema de Baja Tensión Líneas de Telecomunicaciones Impacto en la acometida de servicio Impacto cerca de la acometida de servicio Cerca de, o en la estructura Impacto en la acometida de servicio Impacto cerca de la acometida de servicio Cerca de, o en la estructura NPR Fuente de daño S3 (impacto directo) Forma de onda: 10/350μs (kA) Fuente de daño S4 (impacto indirecto) Forma de onda: 8/20μs (kA) Fuente de daño S1 o S2 (corriente inducida solo para S1) Forma de onda: 10/350μs (kA) Fuente de daño S3 (impacto directo) Forma de onda: 10/350μs (kA) Fuente de daño S4 (impacto indirecto) Medida: 5/300μs (estimada: 8/20μs) (kA) Fuente de daño S2 (corriente inducida) Forma de onda: 8/20μs (kA) III - IV 5 2,5 0,1 1 0,01 (0,05) 0,05 I - II 10 5 0,2 2 0,02 (0,1) 0,1 Para líneas apantalladas, los valores de las sobrecorrientes dados en la Tabla E.2 pueden ser reducidos en un factor de 0,5. NOTA Esto se hace asumiendo que la resistencia de la pantalla es aproximadamente igual a la resistencia en paralelo de todos los conductores de la acometida de servicio. E.3.2 Sobretensiones debidas a impactos cerca de la acometida de servicio (Fuente de daño S4) Las sobretensiones relacionadas con impactos cerca de la acometida de servicio tienen menor energía que aquellas asociadas con impactos en la acometida de servicio (fuente de daño S3). Valores de sobrecorriente esperados, asociados con un específico NPR son dados en la Tabla E.2. Para líneas apantalladas los valores de la sobrecorriente dados en la Tabla E.2 pueden reducirse en un factor de 0,5. E.4 SOBRETENSIONES DEBIDAS A EFECTOS INDUCTIVOS (FUENTE DE DAÑO S1 o S2) Las sobretensiones debidas a efectos inductivos de campos magnéticos, generados por impactos de rayos cercanos (fuente de daño S2) o por corrientes de rayo fluyendo en DPS externos o del apantallamiento espacial en una ZPR 1 (fuente de daño S1), tienen una forma de onda de corriente típica 8/20μs. Tales sobretensiones deben ser consideradas cerca de o en los terminales de los dispositivos ubicados dentro de una ZPR1 y en los limites de una ZPR 1/2. E.4.1 Sobretensiones dentro de una ZPR1 no apantallada Dentro de una ZPR 1 no apantallada (Ej. protegida solo por un SIPRA externo de acuerdo con la NTC 4552-3 con espaciamiento mayor a 5 m) altas sobretensiones, relativamente, puede ser esperadas debidas a los efectos de inducción de los campos magnéticos no atenuados. Las sobrecorrientes esperadas, asociadas con un nivel NPR específico son dadas en la Tabla E.2.
- 71. NORMA TÉCNICA COLOMBIANANTC 4552-1 64 E.4.2 Sobretensiones dentro de zonas ZPR apantalladas Dentro de ZPR con un adecuado espacio de apantallamiento (requiere de un espaciamiento menor a 5 m de acuerdo con la normatividad nacional vigente o en su defecto la norma IEC 62305-4 o los documentos normativos IEEE C62.41-1 e IEEE C62.41-2 o la normatividad UIT serie K), la generación de sobretensiones debidas a efectos de inducción por campos magnéticos es fuertemente reducida. En tales casos, las sobretensiones son mucho menores que las obtenidas en el literal E.4.1. El efecto de inducción dentro de una ZPR1 es mucho menor debido al efecto de atenuación del campo en el espacio apantallado. La sobretensión dentro una ZPR2 es fuertemente reducida debido al efecto en cascada de ambos espacios de apantallamiento de la ZPR1 y la ZPR2. E.5 INFORMACIÓN GENERAL RELACIONADA CON DPS Para evitar que chispas, arcos eléctricos o cortocircuitos que puedan ser originados por sobretensiones transitorias ya sea por impacto directo de rayo en la edificación, o en sus acometidas de servicios (tales como electricidad, teléfono, gas, ductos metálicos), al igual que por tensiones inducidas por impactos indirectos o lejanos, que puedan generar incendios, explosiones o sobretensiones que pongan en riesgo vidas humanas; se debe equipotencializar las acometidas de servicios, pantallas de cables, y otras partes metálicas normalmente no energizadas. Los lineamientos expuestos están de acuerdo con los principios de coordinación de aislamiento; por lo tanto, los equipos para los cuales se especifican los métodos de mitigación deben tener definido una categoría de sobretensión; es decir, un nivel básico al impulso (BIL) de acuerdo con su ubicación en las instalaciones. La categoría de sobretensión se presenta en la Tabla E.3. Tabla E.3. Tensión al impulso que deben soportar los equipos BIL requerido en (kV) Contadores Tableros, interruptores, cables, etc. Electrodomésticos, herramientas portátiles Equipo electrónico Nivel de tensión de operación de los equipos V Categoría IV Categoría III Categoría II Categoría I 120 – 240 ; 120 / 208 4 2,5 1,5 0,8 254 / 440 ; 277 / 480 6 4 2,5 1,5 Las técnicas para el control de sobretensiones transitorias son: 1) ABSORCIÓN. Es la conversión irreversible de energía de una onda electromagnética, en otra forma de energía (normalmente calor) como resultado de la interacción con el material que absorbe. El material es la causa de la conversión. 2) AISLAMIENTO. Es la separación de dos o más superficies conductoras por medio de un dieléctrico (incluyendo el aire), ofreciendo una alta resistencia al paso de la corriente. 3) APANTALLAMIENTO. Es la instalación de elementos metálicos que se insertan alrededor de los dispositivos que se desean proteger contra los efectos de un campo. El apantallamiento actúa absorbiendo o reflejando parte de la energía contenida en un campo.
- 72. NORMA TÉCNICA COLOMBIANANTC 4552-1 65 4) CONEXIONES DEL SISTEMA DE PUESTA TIERRA. Es la aplicación de conceptos estandarizadas para el diseño e instalación de las puestas a tierra y de la red equipotencial. 5) EQUIPOTENCIALIZAR. Es la acción de Interconectar partes conductoras y/o conductores activos con el sistema de puesta tierra por medio de conductores eléctricos y/o dispositivos de protección contra sobre tensiones transitorias para llevarlas a la mínima diferencia de potencial y así propender por la seguridad. 6) FILTRAR. Es la modificación de las componentes de frecuencia de una señal mediante un dispositivo que se coloca entre los terminales de un circuito eléctrico. 7) MINIMIZAR LAZOS INDUCTIVOS. Es la aplicación de los conceptos de cableados (de potencia y de telecomunicaciones) de manera que se reduzca la inductancia de los circuitos de modo diferencial y de modo común. La equipotencialización depende en gran medida de la combinación de las técnicas que se apliquen en cada instalación. A continuación se presentan algunos aspectos que se deben tener en cuenta para su selección e instalación. a) Reducir los efectos de la corriente del rayo, encerrando los cables con superficies metálicas, las cuales deben ser conectadas con el sistema de puesta a tierra. b) Reducir los efectos inductivos, instalando apantallamientos localizados y ubicando los cableados apropiadamente. c) Instalar barrajes equipotenciales - BE para conectar todas las pantallas de cables, estructuras metálicas, entre otros, con el sistema de puesta a tierra. d) Conectar los conductores activos con el BE, mediante la aplicación de dispositivos de protección contra sobre tensiones transitorias - DPS. Las características de los DPS deben ser coordinadas con relación a la energía requerida (véase la normatividad nacional vigente o en su defecto la norma IEC 62305-4 o los documentos normativos IEEE C62.41-1 e IEEE C62.41-2 o la normatividad UIT serie K). e) En las acometidas de servicio los DPS se deben conectar entre los conductores activos y la puesta a tierra o el conductor de puesta a tierra para equipos. f) Para instalaciones eléctricas, el nivel de protección de los DPS debe ser menor que el nivel básico de aislamiento BIL dado para la Categoría II de la Tabla 11. La máxima tensión de operación continua debe ser mayor o igual a 1,1 veces la tensión nominal máxima del sistema. g) En caso de falla del DPS, la capacidad de cortocircuito del DPS junto con sus mecanismos internos o externos de protección, debe ser igual o mayor que la máxima corriente de cortocircuito esperada en el nodo de la instalación. Los parámetros técnicos mínimos para especificar un DPS son: tensión nominal, máxima tensión de operación continua, nivel de protección en tensión y la corriente nominal de descarga. La tensión nominal del DPS debe estar de acuerdo con lo establecido en la NTC 1340 para corriente alterna y con la IEC 38 para corriente directa. Así mismo se debe tener en cuenta que el régimen de conexión a tierra más utilizado en el sistema colombiano es el TN C-S, de acuerdo con la convención de normas IEC. Véase la Figura 4.
- 73. NORMA TÉCNICA COLOMBIANANTC 4552-1 66 F N PEPEN EQUIPO en donde TNCS sistema con el neutro puesto a tierra PEN conductor de neutro y de tierra de protección PE conductor de tierra de protección Figura E.1. Sistema T-N-C-S (PME) La corriente nominal de descarga es el valor cresta de la corriente de impulso para la que está diseñado el DPS sin que se supere el nivel de protección en tensión, esta corriente nominal de descarga debe ser mayor a lo establecido en la Tabla E.4: Tabla E.4. Corriente nominal de descarga por fase Onda de prueba Nivel de Protección DPS con onda de prueba 10/350 μs DPS con onda de prueba 8/20 μs IV 2 kA 20 kA III 5 kA 50 kA II 12,5 kA 125 kA I ≥12,5 kA * ≥125 kA * * Por acuerdo entre cliente y proveedor NOTA Los valores de la tabla son aplicables por cada conductor activo en el punto de conexión de la acometida (véase la NTC 2050). NOTA Véase IEEE C 62.41-2:2002
- 74. NORMA TÉCNICA COLOMBIANANTC 4552-1 67 ANEXO F (Normativo) GUÍA GENERAL DE SEGURIDAD PERSONAL DURANTE TORMENTAS ELÉCTRICAS Durante una tormenta eléctrica son evidentes los peligros a los que se exponen, no solo las edificaciones y los sistemas eléctricos y electrónicos, sino las personas. Es por ello que se deben conocer algunas recomendaciones para tener en cuenta durante una tormenta, evitando riesgos para las personas. El riesgo de ser alcanzado por un rayo es mayor entre las personas que trabajan, juegan, caminan o permanecen al aire libre durante una tormenta eléctrica. En la zona central colombiana (Cundinamarca, Antioquia, Boyacá, Santander, Caldas, Quindío, Risaralda, Valle del Cauca y los llanos) la actividad de rayos es más intensa durante los meses de abril, mayo, octubre y noviembre; en la zona caribe colombiana (Atlántico, Magdalena, Sucre, Córdoba, Guajira) durante los meses de julio y agosto y en la zona sur (Amazonas, Cauca y Putumayo) durante los meses de diciembre y enero. La actividad de rayos se presenta generalmente en las tres zonas descritas entre las 2 y las 6 de la tarde y en algunas zonas especiales como el Magdalena Medio en horas de la noche y en la madrugada. Cuando se tenga indicios de tormenta eléctrica es recomendable, como medida de protección, tener en cuenta las siguientes instrucciones: - Aterrice y proteja adecuadamente los equipos sensibles de uso eléctrico, electrónico, telefónico o de comunicaciones contra sobretensiones de acuerdo con los criterios y recomendaciones presentadas en esta norma, de lo contrario desconéctelos retirando el enchufe del tomacorriente evitando así el uso de ellos. - Busque refugio en el interior de vehículos, edificaciones y estructuras que ofrezcan protección contra rayos. - A menos que sea absolutamente necesario, no salga al exterior ni permanezca a la intemperie durante una tormenta eléctrica. - Permanezca en el interior del vehículo, edificación o estructura hasta que haya desaparecido la tormenta. Protéjase de los rayos en: - Contenedores totalmente metálicos. - Refugios subterráneos. - Automóviles y otros vehículos cerrados con carrocería metálica. - Viviendas y edificaciones con un sistema adecuado de protección contra rayos.
- 75. NORMA TÉCNICA COLOMBIANANTC 4552-1 68 Estos sitios ofrecen poca o ninguna protección contra rayos: - Edificaciones no protegidas alejadas de otras viviendas. - Tiendas de campaña y refugios temporales en zonas despobladas. - Vehículos descubiertos o no metálicos. Aléjese de estos sitios en caso de tormenta eléctrica: - Terrenos deportivos y campo abierto. - Piscinas, playas y lagos. - Cercanía a líneas de transmisión eléctrica, cables aéreos, vías de ferrocarril, tendederos de ropa, cercas ganaderas, mallas eslabonadas y vallas metálicas. - Árboles solitarios. - Torres metálicas: de comunicaciones, de líneas de alta tensión, de perforación, etc. Si debe permanecer en una zona de tormenta: - Busque zonas bajas. - Evite edificaciones sin protección adecuada y refugios elevados. - Prefiera zonas pobladas de árboles, evitando árboles solitarios. - Busque edificaciones y refugios en zonas bajas. Si se encuentra aislado en una zona donde se este presentando una tormenta: - No se acueste sobre el suelo. - Junte los pies. - No escampe bajo un árbol solitario. - No coloque las manos sobre el suelo, colóquelas sobre las rodillas. - Adopte la posición de cuclillas. Para comprobar que estas recomendaciones de la guía se conviertan en acciones preventivas se presenta a continuación una lista de verificación que puede ser implementada y evaluada periódicamente para tomar los correctivos que sean necesarios. Si las respuestas son afirmativas en todos los casos se puede concluir que se están tomando las medidas adecuadas para la protección del personal.
- 76. NORMA TÉCNICA COLOMBIANANTC 4552-1 69 PREGUNTA RESPUESTA ¿Durante una tormenta eléctrica se evita que haya personal trabajando al aire libre? ¿Durante una tormenta eléctrica se evita que haya personal caminando al aire libre? ¿Durante una tormenta eléctrica se evita que haya personal que permanece al aire libre? ¿Durante una tormenta eléctrica permanece el personal, dentro de vehículos y edificaciones? ¿Durante una tormenta se evita la cercanía del personal a terrenos deportivos y campo abierto? ¿Durante una tormenta se evita la cercanía a piscinas, playas, lagos? ¿Durante una tormenta se evita la cercanía a líneas de transmisión, redes y subestaciones eléctricas? ¿Durante una tormenta se evita la cercanía a torres de comunicaciones? ¿Durante una tormenta se evita escampar en árboles solitarios? ¿Durante una tormenta se evita la cercanía a vías de ferrocarril, oleoductos y ductos metálicos? ¿Se aleja al personal durante una tormenta, de mallas eslabonadas, cercas, vallas metálicas, tendederos de ropa? ¿Se evita que el personal se acerque durante una tormenta, a grandes tanques metálicos? ¿Durante una tormenta se aleja al personal de las partes altas? ¿Se evita el uso de vehículos no metálicos ante una tormenta? ¿Se utilizan contenedores totalmente metálicos, como refugio ante tormentas? ¿Se utilizan refugios subterráneos en caso de tormenta? ¿Se utilizan automóviles y otros vehículos cerrados con carrocería, como refugio ante tormentas? ¿Se evita acostarse en el suelo mientras se está presentando una tormenta? ¿Se evita colocar las manos en el suelo mientras se está presentando una tormenta? ¿Se juntan los pies mientras se está presentando una tormenta? ¿Se adopta la posición de cuclillas por el personal que se encuentra aislado, mientras se está presentando una tormenta? ¿Se evita la cercanía de árboles cuyas ramas están próximas a redes eléctricas? ¿Se desconectan los aparatos eléctricos cuando se inicia una tormenta? ¿Se desconectan los equipos telefónicos cuando se inicia la tormenta? ¿Se evita el uso de aparatos eléctricos en el momento de la tormenta? ¿Se evita el uso de aparatos electrónicos en el momento de la tormenta? ¿Se evita el uso de aparatos telefónicos en el momento de la tormenta? ¿Se evita el contacto con cables, alambres, tubería metálica de agua, energía, gas, etc., durante una tormenta? TOTAL RESPUESTAS (Sí) Porcentaje acciones positivas
- 77. NORMA TÉCNICA COLOMBIANANTC 4552-1 70 BIBLIOGRAFÍA [1] Torres, H. “El Rayo, mitos, leyendas, ciencia y tecnología” Editorial UNIBIBLOS, Bogotá, DC, Colombia, 2002. [2] Younes C. “Evaluación de Parámetros del Rayo con Mediciones Terrestres y Satelitales para Colombia” Tesis de Maestría, Universidad Nacional de Colombia, Bogotá, DC, 2002. [3] Cherchiglia et., al. “Lightning Program Carried out by Compañía Energética de Minas Gerais CEMIG” Conference Proceedings Ground 98, Belo Horizonte, Brazil, 1998. [4] Mello, J.C., et., al. “Enhancement of Morro do Cachimbo Station Facilities for Measurement of Lightning Currents” Conference Proceedings, Ground 2000, Belo Horizonte, Brazil, 2000. [5] M.A.Schroeder, "Modelo Eletromagnético Para Descontaminação De Ondas De Corrente De descargas Atmosféricas: Aplicação Às Medições da Estação do Morro do Cachimbo (in Portuguese)." Phd Thesis, Universty of Minas Gerais, 2001. [6] Uman, M. “The Lightning Discharge”, International Geophysics Series, Vol. 39, 1987. [7] Lee, S. C. et al. “Determination of Lightning Current Using Frame Aerials”. IEEE Transactions on Power Delivery, Vol. PAS-98, No. 5, Sept./ Oct. 1979. p. 1669-1675. [8] F. de la Rosa, K. Cummins, L. Dellera, G. Diendorfer, A. Galván, J. Husse, V. Larsen, C.A. Nucci, F. Rachidi, V. Rakov, H. Torres and M.A. Uman. “Characterization of Lightning for Applications in Electric Power Systems” Electra No. 172 (Technical Brochure), CIGRE WG. 33.01.02, December 2000. [9] Rondón, D., Briceño, W. “Modelos de la corriente del rayo a partir del campo eléctrico” Tesis de pregrado, Universidad Nacional de Colombia, Departamento de Ingeniería Eléctrica, Bogotá, 1996. [10] Standard IEC 62305-1 Lightning Protection. Part 1: General Principles. 2005 [11] Williams, Torres, H., E., Boccippio, D., Petersen, W., Rutledge, S., Ishii, M., Hidayat, S., Jayaratne, R., Yair,Y., Levin, Z., Mackerras, D. “ Latitude Dependence of Ground Flash Density in the Tropics and Subtropics” American Geophysical. Union. Meeting, San Francisco, 1996. [12] Vargas, M. “Nuevo Modelo Integral Del Canal De La Descarga Eléctrica Atmosférica Y Su Enlace Con Estructuras En Tierra” Tesis Doctoral. Universidad Nacional de Colombia. Bogotá, Colombia. 2006. [13] Horváth, T. “Standardization of Lightning Protection Based on the Physics or on the Tradition? “ 26th ICLP. Cracow, Poland. pp. 791-796. 2002. [14] Horváth, T. “Comparative Study on the Interception Concepts” 24th ICLP. Birmingham, UK. pp. 371-376. 1998. [15] Cooray, V., Theethayi, N. “The Striking Distance of Lightning Flashes and the Early Streamer Emission (ESE) Hypothesis” 27th International Conference on Lightning Protection – ICLP. Avignon, France. 2004.
- 78. NORMA TÉCNICA COLOMBIANANTC 4552-1 71 [16] Visacro, S; Soares Jr, A; Schroeder, M. A. O; Cherchiglia, L. C. L; De Souza, V. J.: "Statistical analysis of lightning current parameters: Measurements at Morro do Cachimbo Station". Journal of Geophysical Research, Vol. 109, D01105, 2004