ASOCIACIÓN ELECTROTÉCNICA ARGENTINA INSTALACIONES DE PROTECCIÓN CONTRA LAS DESCARGAS ATMOSFÉRICAS AEA 92305-1 © Edición 2006 Página i Prólogo - La Asociación Electrotécnica Argentina es una institución civil sin fines de lucro, de carácter privado, creada para fomentar el desarrollo de todos los campos de la Electrotecnia. Es el ámbito adecuado para el estudio e información de los aspectos teóricos de la Ingeniería Eléctrica, como así también para el establecimiento de documentos normativos, en todo lo referente a las aplicaciones tecnológicas y a los avances e innovaciones en este campo. Fue creada el 18 de octubre de 1913 por un grupo de veinticinco especialistas y desde ese mismo año es sede del Comité Electrotécnico Argentino (CEA), representante nacional de la International Electrotechnical Commission (IEC), que propiciara en su época el Ing. Jorge Newbery. - Los documentos normativos producidos tienen la forma de recomendaciones de uso nacional y se publican bajo la forma de Reglamentaciones, Normas, Especificaciones Técnicas, Guías o Informes Técnicos, que han sido adoptados por diversas Leyes, Decretos, Ordenanzas y Resoluciones de carácter oficial. - Las decisiones formales o acuerdos de la Asociación Electrotécnica Argentina en temas técnicos expresan el consenso de la opinión nacional en temas relevantes, dado que cada Comité de Estudio tiene representación de todos los sectores interesados. - El Comité de Estudio CE 00 – Normas de Concepto – tiene como principal objetivo la confección de documentos normativos, que puedan ser utilizados como plataforma y ayuden a reafirmar las prescripciones y recomendaciones vertidas en todos los documentos de la AEA. En otro orden, representan una invalorable ayuda para el profesional y los especialistas y un material didáctico que aporta un significativo valor agregado a los establecimientos educacionales que se encuentren vinculados con la electrotecnia. - El carácter de las Normas de Concepto y sus Informes Técnicos asociados, tiene su origen en las ciencias básicas y las específicas dentro del campo de la Electrotecnia; este principio indica canalizar el proceso de Discusión Pública hacia las Universidades, Escuelas Técnicas, Consejos y Colegios Profesionales, además de todo otro sector que desee contribuir al perfeccionamiento del material a emitir. - No se puede considerar a la Asociación Electrotécnica Argentina responsable de ninguna instalación, equipo o material declarado de estar en conformidad con alguna de sus Reglamentaciones o Normas. - El presente documento normativo sigue los lineamientos establecidos en ISO/IEC Guide 21 “Adoption of Internacional Standards as regional or nacional standards”. ASOCIACIÓN ELECTROTÉCNICA ARGENTINA INSTALACIONES DE PROTECCIÓN CONTRA LAS DESCARGAS ATMOSFÉRICAS AEA 92305-1 © Edición 2006 Página ii Comité de Estudio CE 00 Normas de Concepto Integrantes Presidente Ing. MANILI, Carlos M. (INSPT-UTN) Secretaria Téc. ABDALA, Natalia (AEA) Miembros permanentes Ing. BRUGNONI, Mario (FIUBA) Ing. GARCÍA DEL CORRO, Carlos (AEA) Ing. GALIZIA, Carlos (CONSULTOR) Téc. MANILI, Carlos I. (AEA) Comisión de Normalización Integrantes Presidente Ing. BROVEGLIO, Norberto Secretario Ing. FISCHER, Natalio Miembros permanentes Ing. CARTABBIA, Vicente Ing. GALIZIA, Carlos Ing. IACONIS, Alberto Ing. OSETE, Víctor Ing. PUJOLAR, Jorge ASOCIACIÓN ELECTROTÉCNICA ARGENTINA INSTALACIONES DE PROTECCIÓN CONTRA LAS DESCARGAS ATMOSFÉRICAS AEA 92305-1 © Edición 2006 Página 1 AEA 92305 INSTALACIONES DE PROTECCIÓN CONTRA LAS DESCARGAS ATMOSFÉRICAS PARTE 1 PRINCIPIOS GENERALES ASOCIACIÓN ELECTROTÉCNICA ARGENTINA INSTALACIONES DE PROTECCIÓN CONTRA LAS DESCARGAS ATMOSFÉRICAS AEA 92305-1 © Edición 2006 Página 2 AEA 92305 Instalaciones de Protección contra las Descargas Atmosféricas Parte 1: Principios Generales ÍNDICE GENERAL Cláusula Subcláusula Contenido Página 1 Alcance 3 2 Referencias normativas 3 3 Definiciones y términos 3 4 Parámetros de la corriente de rayo 10 5 Daños provocados por descargas atmosféricas 11 5.1 Daños a una estructura 11 5.2 Daños a un servicio 14 5.3 Tipos de pérdidas 16 Necesidad y conveniencia económica de la protección contra el rayo 18 6.1 Necesidad de la protección contra el rayo 18 6.2 Conveniencia económica de la protección contra el rayo 19 Medidas de protección 19 7.1 Medidas de protección para reducir el daño a seres vivos debido a las tensiones de contacto y de paso 19 7.2 Medidas de protección para reducir el daño físico 20 7.3 Medidas de protección para reducir fallas en los sistemas eléctricos y electrónicos 20 7.4 Selección de las medidas de protección 21 Criterio básico para la protección de las estructuras y servicios 21 8.1 Niveles de protección contra el rayo 21 8.2 Zonas de protección contra las descargas (LPZ) 26 8.3 Protección de estructuras 27 8.4 Protección de los servicios 29 Anexo A (Informativo) Parámetros de la corriente de rayo 30 Anexo B (Informativo) Corriente de rayo en función del tiempo con propósito de análisis 39 Anexo C (Informativo) Simulación de la corriente de rayo con propósitos de ensayo 45 Anexo D (Informativo) Parámetros de ensayo simulando los efectos de la descarga sobre los componentes de los sistemas de protección contra el rayo 49 Anexo E (Informativo) Ondas de choque debidas al rayo en diferentes puntos de la instalación 66 6 7 8 ASOCIACIÓN ELECTROTÉCNICA ARGENTINA INSTALACIONES DE PROTECCIÓN CONTRA LAS DESCARGAS ATMOSFÉRICAS AEA 92305-1 © Edición 2006 Página 3 PARTE 1 PRINCIPIOS GENERALES 1. Alcance Esta parte de AEA 92305-1 provee los principios generales a seguir en la ejecución de instalaciones para la protección contra descargas atmosféricas en: o o las estructuras, incluyendo sus instalaciones, su contenido, como así también a las personas, y a los servicios conectados a una estructura. Los siguientes casos están fuera del alcance de este documento: o o o o sistemas ferroviarios; vehículos, barcos, aviones, instalaciones costeras; cañerías enterradas de alta presión; conductos, líneas de potencia y de comunicaciones no conectadas a una estructura. Nota: Usualmente estos sistemas están bajo consideraciones especiales emitidas por autoridades competentes. 2. Referencias normativas Los siguientes documentos de referencia son indispensables para la aplicación de este documento. Para referencias fechadas, sólo se aplica la citada edición. Para referencias sin fechas, se aplica la última edición del documento referido (incluyendo cualquier enmienda). AEA 92305-2, Instalaciones de Protección contra las Descargas Atmosféricas – Parte 2: Evaluación del riesgo AEA 92305-3, Instalaciones de Protección contra las Descargas Atmosféricas – Parte 3: Daños a las estructuras y riesgo para la vida humana AEA 92305-4, Instalaciones de Protección contra las Descargas Atmosféricas – Parte 4: Sistemas eléctricos y electrónicos dentro de las estructuras AEA 92305-5, Instalaciones de Protección contra las Descargas Atmosféricas – Parte 5: Servicios 1 3. Definiciones y términos Para el propósito de este documento, se aplican los siguientes términos y definiciones. 3.1 Rayo a tierra Descargas eléctricas de origen atmosférico, originadas entre nube y tierra y consistentes en uno o más impulsos de corriente. 3.2 1 A publicar ASOCIACIÓN ELECTROTÉCNICA ARGENTINA INSTALACIONES DE PROTECCIÓN CONTRA LAS DESCARGAS ATMOSFÉRICAS AEA 92305-1 © Edición 2006 Página 4 Rayo descendente Rayo a tierra que se inicia por un líder descendente desde una nube hacia tierra. Nota 1: Los términos “líder”, “trazador” y “precursor” se utilizan indistintamente. Nota 2: Un rayo descendente consiste en una primera descarga de corta duración, la cual puede ser seguida por otras descargas cortas consecutivas. Una o más descargas cortas pueden ser seguidas por una descarga de larga duración. 3.3 Rayo ascendente Rayo a tierra que se inicia por un líder ascendente desde una estructura puesta a tierra hacia una nube. Nota: Un rayo ascendente consiste en una primera descarga de larga duración, con o sin múltiples descargas cortas superpuestas. Las descargas consecutivas de corta duración pueden incluir una descarga de larga duración. 3.4 Rayo simple Descarga eléctrica simple en una descarga de rayo a tierra. 3.5 Descarga de corta duración Parte de una descarga de rayo correspondiente a un impulso de corriente. Nota: El tiempo figura A.1). T2 (duración desde el origen virtual O1 , al 50% del valor en la cola), es comúnmente menor a 2 ms (ver 3.6 Descarga de larga duración Parte de una descarga de rayo la cual corresponde a una corriente permanente. Nota: El tiempo Tlong (duración desde el 10% del valor del frente, al 10% del valor en la cola) de esta corriente perma- nente, es comúnmente mayor a 2 ms y menor a 1 s (ver figura A.2). 3.7 Descargas múltiples Descarga de rayo consistente en un promedio de 3-4 descargas, con un intervalo típico de tiempo entre ellas de alrededor de 50 ms. Nota: Han sido reportados eventos teniendo hasta unas pocas docenas de descargas con intervalos entre ellas que van desde los 10 ms a 250 ms. 3.8 Punto de impacto Punto donde un rayo a tierra impacta en la tierra, o en un objeto prominente (ej. estructura, instalación de protección contra descargas atmosféricas, servicio, árbol, etc.). Nota: Una descarga de rayo puede tener uno o más puntos de impacto. ASOCIACIÓN ELECTROTÉCNICA ARGENTINA INSTALACIONES DE PROTECCIÓN CONTRA LAS DESCARGAS ATMOSFÉRICAS AEA 92305-1 © Edición 2006 Página 5 3.9 Corriente de descarga i Corriente que fluye en el punto de impacto. 3.10 Valor pico I Valor máximo de la corriente de rayo. 3.11 Pendiente promedio del frente de la corriente de rayo de corta duración Valor promedio de la variación de corriente dentro de un intervalo de tiempo t 2 − t1 Nota: Se expresa mediante la diferencia dividida por t 2 − t1 i (t 2 ) − i (t1 ) de los valores de la corriente al comienzo y al final de este intervalo, (ver figura A.1). 3.12 Tiempo de frente de la corriente de rayo de corta duración T1 Parámetro virtual definido como 1,25 veces el tiempo de intervalo entre los instantes cuando se alcanzan el 10% y el 90% del valor pico (ver figura A.1). 3.13 Origen virtual de la corriente de rayo de corta duración O1 Punto de intersección con el eje de tiempos y una línea recta trazada pasando por el 10% y el 90% de los puntos de referencia en el frente de la corriente de impacto (ver figura A.1); es precedido por el instante 0,1 T1 correspondiente al 10% de su valor pico. 3.14 Tiempo hasta que la corriente de rayo de corta duración decrece a la mitad de su valor de pico (tiempo de cola) T2 Parámetro virtual definido como el intervalo de tiempo entre el origen virtual O1 y el instante en el cual la corriente ha decrecido a la mitad del valor pico (ver figura A.1). 3.15 Duración del rayo T Tiempo durante el cual la corriente de rayo fluye en el punto de impacto. ASOCIACIÓN ELECTROTÉCNICA ARGENTINA INSTALACIONES DE PROTECCIÓN CONTRA LAS DESCARGAS ATMOSFÉRICAS AEA 92305-1 © Edición 2006 Página 6 3.16 Duración de la corriente de descarga larga Tlong Tiempo durante el cual la amplitud de la corriente en una descarga de larga duración, está comprendida entre el 10% del valor pico durante el incremento de la corriente permanente y el 10% del valor pico durante el decrecimiento de la corriente permanente (ver figura A.2). 3.17 Carga del rayo Q flash Integral en el tiempo de la corriente de rayo para la duración total de la descarga del rayo. 3.18 Carga del rayo de corta duración Qshort Integral en el tiempo de la corriente de rayo en una descarga de corta duración. 3.19 Carga del rayo de larga duración Qlong Integral en el tiempo de la corriente de rayo en una descarga de larga duración. 3.20 Energía específica W /R Integral en el tiempo del cuadrado de la corriente de rayo para la duración completa del rayo. Nota: Esto representa la energía disipada por la corriente de rayo por unidad de resistencia. 3.21 Energía específica de la corriente de rayo de corta duración Integral en el tiempo del cuadrado de la corriente de rayo para la duración de la descarga de corta duración. Nota: La energía específica en una corriente de descarga de larga duración es despreciable. 3.22 Objeto a proteger Estructura o servicio a proteger contra los efectos de una descarga atmosférica. 3.23 Estructura a proteger Estructura para la cual se requiere una protección contra los efectos de una descarga atmosférica conforme a las prescripciones del presente documento. Nota: Una estructura a proteger puede ser parte de una estructura mayor. ASOCIACIÓN ELECTROTÉCNICA ARGENTINA INSTALACIONES DE PROTECCIÓN CONTRA LAS DESCARGAS ATMOSFÉRICAS AEA 92305-1 © Edición 2006 Página 7 3.24 Servicio a proteger Servicio ingresante a una estructura para el cual, según el presente documento, se requiere protección contra los efectos de una descarga atmosférica. 3.25 Descarga de rayo directa sobre un objeto Descarga de rayo impactando directamente en el objeto a proteger. 3.26 Descarga de rayo cercana a un objeto Impacto de rayo suficientemente cerca del objeto a proteger, que puede causar sobretensiones peligrosas. 3.27 Sistemas eléctricos Sistema que comprende las componentes de alimentación de baja tensión. 3.28 Sistemas electrónicos Sistema que comprende componentes electrónicos sensibles, tales como equipos de comunicación, computadoras, sistemas de control e instrumentación, sistemas de radio, instalaciones electrónicas de potencia. 3.29 Sistemas internos Sistemas eléctricos y electrónicos en el interior de una estructura. 3.30 Daño físico Daño a un estructura (o a su contenido) o a un servicio, debido a los efectos mecánicos, térmicos, químicos y explosivos de la descarga atmosférica. 3.31 Lesión a los seres vivos Lesiones, inclusive la pérdida de la vida, a personas o animales debido a tensiones de contacto y paso causadas por la descarga atmosférica. 3.32 Falla de los sistemas eléctricos y electrónicos Daño permanente de sistemas eléctricos y electrónicos debido al impulso electromagnético de la descarga atmosférica. 3.33 Impulso electromagnético debido a una descarga atmosférica LEMP (por su sigla en idioma inglés Lightning Electromagnetic Pulse) Efectos electromagnéticos de la corriente de descarga atmosférica. Nota: 3.34 Comprende los impulsos conducidos, así como también los efectos irradiados del campo electromagnético. ASOCIACIÓN ELECTROTÉCNICA ARGENTINA INSTALACIONES DE PROTECCIÓN CONTRA LAS DESCARGAS ATMOSFÉRICAS AEA 92305-1 © Edición 2006 Página 8 Onda de choque Onda transitoria en forma de sobretensión y/o sobrecorriente, debida a un impulso electromagnético de una descarga atmosférica. Nota: Las ondas de choque causadas por el LEMP pueden aparecer como corrientes conducidas parciales de descarga, a partir de efectos inductivos en los lazos de la instalación y como tensión residual aguas debajo de los DPS (Dispositivos de Protección contra Sobretensiones). 3.35 Zona de protección de descarga LPZ (por su sigla en idioma inglés Lightning Protection Zone) Zona para la que definida una determinada protección electromagnética. Nota: Los límites de una zona de protección de descarga atmosférica no son necesariamente límites físicos (ej. paredes, piso y techo). 3.36 Riesgo R Valor de la pérdida probable anual promedio (personas y bienes) debido a una descarga atmosférica, relativo al valor total (personas y bienes) del objeto a proteger. 3.37 Riesgo tolerable RT Máximo valor de riesgo que puede ser tolerado para el objeto a proteger. 3.38 Nivel de protección contra las descargas atmosféricas LPL (por su sigla en idioma inglés Lightning Protection Level) Número relacionado a un conjunto de valores de los parámetros de la corriente de rayo, relativos a la probabilidad que los valores máximos y mínimos previstos no excederán durante la aparición natural de una tormenta. Nota: El nivel de protección contra descargas atmosféricas se utiliza para proyectar medidas de protección, conforme a un conjunto de valores relevantes de parámetros de la corriente de rayo. 3.39 Medidas de protección Medidas a ser adoptadas en el objeto a proteger a fin de reducir el riesgo. 3.40 Sistema de protección contra el rayo (SPR) (También llamado LPS, por su sigla en idioma inglés Lightning Protection System). Sistema completo a ser utilizado para reducir los daños físicos debidos a descargas de rayos a una estructura. Nota: El sistema de protección contra el rayo consiste en dos sistemas, uno externo y otro interno. ASOCIACIÓN ELECTROTÉCNICA ARGENTINA INSTALACIONES DE PROTECCIÓN CONTRA LAS DESCARGAS ATMOSFÉRICAS AEA 92305-1 © Edición 2006 Página 9 3.41 Sistema externo de protección contra el rayo Parte de un sistema de protección contra el rayo, que consta de un sistema captor, un sistema de conductores de bajada y un sistema de puesta a tierra. 3.42 Sistema interno de protección contra el rayo Parte de un sistema de protección contra el rayo, que consiste en las conexiones equipotenciales y/o aislamiento eléctrico del sistema externo de protección el rayo. En caso de requerirse, debe ser complementado con una correcta elección, instalación y coordinación de los DPS. 3.43 Sistema captor Parte de un sistema externo de protección contra el rayo, que utiliza elementos metálicos tales como varillas, conductores mallados o hilos de guardia destinados a interceptar las descargas de rayos. 3.44 Sistemas de conductores de bajada Parte de un sistema externo de protección contra el rayo, destinado a conducir la corriente de rayo desde el sistema captor al sistema de puesta a tierra. 3.45 Sistema de puesta a tierra Parte de un sistema externo de protección contra el rayo, destinado a conducir y dispersar la corriente de rayo dentro de la tierra. 3.46 Partes conductoras externas Partes metálicas que ingresan o salen de la estructura a proteger, tales como cañerías, componentes metálicos de cables, conductos metálicos, etc., los que pueden llevar una parte de la corriente de rayo. 3.47 Conexión equipotencial al sistema de protección contra el rayo Interconexión de partes metálicas separadas de una instalación al sistema de protección contra el rayo, mediante conexiones conductoras directas o vía dispositivos de protección contra rayos, para reducir diferencias de potencial causadas por las corrientes del rayo. 3.48 Pantalla Malla metálica utilizada en un servicio para reducir el daño físico debido a las descargas de rayos. 3.49 Sistemas de protección contra los impulsos electromagnéticos del rayo LPMS Conjunto de medidas de protección para sistemas internos, contra impulsos electromagnéticos de la descarga de rayo. ASOCIACIÓN ELECTROTÉCNICA ARGENTINA INSTALACIONES DE PROTECCIÓN CONTRA LAS DESCARGAS ATMOSFÉRICAS AEA 92305-1 © Edición 2006 Página 10 3.50 Blindaje magnético Grilla metálica cerrada o pantalla de envoltura continua del objeto a proteger, o parte de él, utilizada para reducir fallas en los sistemas eléctricos y electrónicos. 3.51 Dispositivo de protección contra sobretensiones DPS Dispositivo destinado a limitar sobretensiones transitorias y evacuar las corrientes de rayo. Contiene al menos una componente no lineal. 3.52 Protección coordinada de DPS Conjunto de dispositivos de protección contra rayos, adecuadamente seleccionados y coordinados con el fin de reducir fallas en los sistemas eléctricos y electrónicos. 3.53 Tensión asignada de impacto UW Tensión de impulso asignada por el fabricante del equipo o a una parte del mismo, caracterizando la capacidad específica de su aislación para soportar las sobretensiones. Nota: Para los propósitos de este documento sólo se considera la tensión soportada entre conductores activos y tierra. (IEC 60664-1:2002). 3.54 Impedancia convencional de tierra Relación de los valores pico de tensión de puesta a tierra y la corriente de puesta a tierra, los cuales, por lo general, no ocurren de manera simultánea. 4 Parámetros de la corriente de rayo Los parámetros de la corriente de rayo utilizados en la serie AEA 92305 están dados en el anexo A. La corriente de rayo en función del tiempo, para ser utilizada con propósitos de análisis, está dada en el anexo B. La información para la simulación de la corriente de rayo con propósitos de prueba está dada en el Anexo C. Los parámetros básicos a ser utilizados en laboratorio para simular los efectos de una descarga sobre los componentes del sistema de protección contra rayo están dados en el anexo D. La información sobre ondas de hoque debidas a las descargas atmosféricas en diferentes puntos de la instalación está dada en el anexo E. ASOCIACIÓN ELECTROTÉCNICA ARGENTINA INSTALACIONES DE PROTECCIÓN CONTRA LAS DESCARGAS ATMOSFÉRICAS 5. Daños provocados por descargas atmosféricas 5.1 Daños a una estructura AEA 92305-1 © Edición 2006 Página 11 La descarga atmosférica que afecta a una estructura puede causar daño a la estructura en sí misma y a todos sus ocupantes y contenido, incluyendo fallas de los sistemas internos. Los daños y fallas pueden también extenderse a los alrededores de la estructura e incluso involucrar el medio ambiente local. La magnitud de esta extensión es función de las características de la estructura como de la descarga del rayo. 5.1.1 Efectos de la descarga sobre una estructura Las características principales de las estructuras, referidas a los efectos de descarga incluyen: - - construcción (ej. madera, ladrillo, concreto, concreto reforzado, construcción de armazón de acero); función (hábitat doméstico, oficina, campo, teatro, hotel, escuela, hospital, museo, iglesia, prisión, centro comercial, banco, fábrica, planta industrial, área de deportes); ocupantes y contenidos (personas y animales, presencia de materiales inflamables y no inflamables, materiales explosivos y no explosivos, sistemas eléctricos y electrónicos de baja o alta tensión); servicios conectados (líneas de potencia, líneas de comunicación, canalizaciones); medidas de protección existentes o provistas (ej. medidas de protección para reducir daño físico y peligro de muerte, medidas de protección para reducir fallas de los sistemas internos); magnitud de la extensión del daño (estructura con dificultad de evacuación o estructura donde pueda surgir el pánico, estructura peligrosa para los alrededores, estructuras peligrosas para el medio ambiente). La Tabla 1 indica los efectos de la descarga sobre diversos tipos de estructuras. ASOCIACIÓN ELECTROTÉCNICA ARGENTINA INSTALACIONES DE PROTECCIÓN CONTRA LAS DESCARGAS ATMOSFÉRICAS AEA 92305-1 © Edición 2006 Página 12 Tabla 1 – Efectos de la descarga sobre estructuras típicas Tipo de estructura de acuerdo a función y/o contenido Hábitat doméstico Efectos de la descarga Perforación de instalaciones eléctricas, incendio y daños materiales Daños normalmente limitados a objetos expuestos al punto de impacto o al camino de la corriente de descarga Falla de los equipos eléctricos y electrónicos y sistemas instalados (ej. equipos de TV, computadoras, módems, teléfonos, etc.) Granjas Riesgo primario de incendio y tensiones de paso peligrosas, así como también daño material Riesgo secundario debido a la pérdida de alimentación, y peligro de muerte de ganado debido a la falla del control electrónico de la ventilación y los sistemas de suministro de comida, etc. Teatro, hotel, es- Daño a las instalaciones eléctricas (ej. iluminación) susceptibles de provocar cuela, centro comer- el pánico cial, área de deportes Falla de las alarmas de incendio resultando en medidas tardías de combate de incendios Banco, compañía de Ídem arriba, más problemas resultantes de la pérdida de comunicación, falla seguros, compañía de computadoras y pérdida de información comercial, etc. Hospital, prisión geriátrico, Ídem arriba, más problemas con la gente en terapia intensiva y las dificultades de rescatar personas con movilidad reducida Industria Efectos complementarios en función del contenido de la fábrica, en un rango desde daño mínimo a inaceptable y pérdida de la producción Muses y sitios ar- Pérdida de herencia cultural irreemplazable queológicos, iglesia Telecomunicaciones, centrales eléctricas Pérdida inaceptable de servicios al público Fábrica de pirotec- Consecuencias de incendio y explosión a la planta y sus alrededores nia, municiones Planta química, refi- Incendio y mal funcionamiento de la planta con consecuencias en detrimento nerías, planta nu- al medio ambiente local y global clear, laboratorios y plantas bioquímicas ASOCIACIÓN ELECTROTÉCNICA ARGENTINA INSTALACIONES DE PROTECCIÓN CONTRA LAS DESCARGAS ATMOSFÉRICAS AEA 92305-1 © Edición 2006 Página 13 5.1.2 Fuentes y tipo de daños a la estructura La corriente de descarga es la fuente del daño. Se deben tomar en cuenta las siguientes situaciones, dependiendo de la posición del punto de impacto relativo a la estructura considerada: - S1: rayos directos a la estructura; S2: rayos cercanos a la estructura; S3: rayos directos a los servicios conectados a la estructura; S4: rayos cercanos a los servicios conectados a la estructura. Los rayos directos a la estructura pueden causar: - - Daño mecánico inmediato, incendio y/o explosión debido al calor del arco de plasma, debido al calentamiento óhmico en los conductores (conductores sobrecalentados), o debido a la carga resultante en la erosión del arco (metal derretido); Incendio y/o explosión desatados por chispas causadas por sobretensiones resultantes del acoplamiento resistivo e inductivo y al pasaje de parte de la corriente de descarga; Daños a personas por tensión de paso y de contacto resultantes del acoplamiento resistivo e inductivo; Falla o mal funcionamiento de los sistemas internos debido al impulso electromagnético de las descargas. Rayos cercanos a la estructura pueden causar: - Falla o mal funcionamiento de los sistemas internos debido a impulsos electromagnéticos de las descargas. Rayos directos a un servicio conectado a la estructura pueden causar: - Incendio y/o explosión desatados por chispas debidas a sobretensiones y corrientes de descarga transmitidas a través de los servicios conectados a la estructura; Daño a personas debido a las tensiones de contacto dentro de la estructura, causadas por corrientes de descargas transmitidas a través del servicio conectado; Falla o mal funcionamiento de los sistemas internos debido a sobretensiones que aparecen en las líneas conectadas y transmitidas a la estructura. Rayos cercanos a un servicio conectado a una estructura pueden causar: - Falla o mal funcionamiento de los sistemas internos debido a sobretensiones inducidas en líneas conectadas y transmitidas a la estructura. Nota 1: No está cubierto por la serie AEA 92305 el mal funcionamiento de los sistemas internos. Las referencias deben hacerse a IEC 61000-4-5. Nota 2: Sólo las chispas que conducen corriente de descarga (total o parcial) son consideradas probables de desatar un incendio. Nota 3: La descarga de rayos, directos o cercanos a las cañerías entrantes, no causarán daño a la estructura, siempre y cuando estén conectadas a la barra equipotencial de la estructura (ver AEA 92305-3). ASOCIACIÓN ELECTROTÉCNICA ARGENTINA INSTALACIONES DE PROTECCIÓN CONTRA LAS DESCARGAS ATMOSFÉRICAS AEA 92305-1 © Edición 2006 Página 14 En conclusión, la descarga puede causar tres tipos de daños básicos: - D1: daño a seres vivos debido a la tensión de contacto y de paso; D2: daño físico (incendio, explosión, destrucción mecánica, derrame químico) debido a los efectos de la corriente de descarga, incluyendo chispas; D3: falla de los sistemas internos debido a impulsos electromagnéticos de descargas. 5.2 Daños a un servicio Las descargas que afectan a un servicio pueden causar daños a los medios físicos en sí mismos (línea o canalización) usados para proveer el servicio, así como también al equipo eléctrico y electrónico asociado. Nota: Los servicios a considerar son las conexiones físicas entre: - El edificio de comunicaciones y el edificio del usuario, o dos edificios de comunicación, o dos edificios de usuarios, para las líneas de telecomunicación (TLC), El edificio de comunicaciones o el edificio del usuario y un nodo de distribución, o dos nodos de distribución para las líneas de telecomunicación (TLC), La subestación de alta tensión (HV) y el edificio del usuario, para las líneas de alimentación, La estación de distribución principal y el edificio del usuario, para canalizaciones. La magnitud de esta extensión depende de las características del servicio, del tipo y extensión de los sistemas eléctricos y electrónicos y de las características de la descarga de rayo. 5.2.1 Efectos de la descarga sobre un servicio Las características principales de un servicio referidas a los efectos de la descarga comprenden: - construcción (líneas: aéreas, subterráneas, con pantalla, sin pantalla, fibra óptica; canalizaciones: sobre el suelo, enterradas, metálicas, plásticas); función (línea de telecomunicación, línea de alimentación, canalización); estructura provista (construcción, contenidos, dimensiones, ubicación); medidas de protección existentes o previstas (ej. hilos de guarda, pararrayos, caminos redundantes, sistemas de almacenamiento de fluidos, generadores, sistemas de alimentación ininterrumpida). La Tabla 2 indica los efectos de la descarga en varios tipos de servicios. ASOCIACIÓN ELECTROTÉCNICA ARGENTINA INSTALACIONES DE PROTECCIÓN CONTRA LAS DESCARGAS ATMOSFÉRICAS AEA 92305-1 © Edición 2006 Página 15 Tabla 2 – Efectos de la descarga en servicios típicos Tipo de servicio Línea de telecomunicación Efectos de la descarga Daño mecánico a la línea, fusión de pantallas y conductores, rotura de la aislación del cable y del equipo resultando en una falla primaria con pérdida inmediata del servicio Fallas secundarias en los cables de fibra óptica con daño en el cable pero sin pérdida de servicio Líneas de alimentación Daños a los aisladores de las líneas aéreas de baja tensión, perforación de la aislación del cable de línea, rotura de la aislación del equipo de línea y de transformadores con la consecuente pérdida del servicio Cañerías de agua Daños a los equipos de control eléctricos y electrónicos susceptibles de causar pérdidas de servicio Cañerías de gas Perforación de bridas no metálicas susceptibles de causar incendio y/o explosión Cañerías de combustible Daño a los equipos de control eléctricos y electrónicos susceptibles de causar pérdida de servicio 5.2.2 Fuentes y tipos de daños a un servicio La corriente de descarga es la fuente del daño. Se deben considerar las siguientes situaciones, dependiendo de la posición del punto de impacto en relación al servicio considerado: - S1: rayos a una estructura; S3: rayos a un servicio conectado a la estructura; S4: rayos cercanos a un servicio conectado a la estructura. Rayos a una estructura pueden causar: - fusión de los conductores metálicos y de las pantallas de los cables debido a partes de la corriente de descarga que fluye dentro de los servicios (efecto Joule); perforación de la aislación de las líneas y de los equipos conectados (debido al acoplamiento resistivo); perforación de las juntas no metálicas en bridas de caños, así como también en las bridas de las juntas aislantes. Nota 1: El cable de fibra óptica sin conductor metálico no se ve afectado por las descargas de rayos que impactan sobre la estructura. Rayos a un servicio conectado a una estructura pueden causar: - - daño mecánico inmediato de los cables metálicos o de las canalizaciones debido al esfuerzo electrodinámico o a los efectos de calentamiento causados por la corriente de rayo (rotura y/o fusión de los cables metálicos, pantallas o canalizaciones) y debido al calor del arco de plasma (perforación de una envoltura de material sintético); daño eléctrico inmediato de las líneas (perforación de la aislación) y del equipo conectado; ASOCIACIÓN ELECTROTÉCNICA ARGENTINA - INSTALACIONES DE PROTECCIÓN CONTRA LAS DESCARGAS ATMOSFÉRICAS AEA 92305-1 © Edición 2006 Página 16 perforación de canalizaciones metálicas aéreas de pequeño espesor y de las bridas no metálicas en las juntas, donde las consecuencias pueden extenderse a incendio y explosión dependiendo de la naturaleza de los fluidos transportados. Rayos cercanos a un servicio conectado a una estructura pueden causar: Nota 2: suelo. perforación de la aislación de las líneas y de los equipos conectados debido al acoplamiento inductivo (sobretensión inducida). El cable de fibra óptica sin conductores metálicos no se ve afectado por la descarga de rayos que impactan en el En conclusión, la descarga puede causar dos tipos básicos de daño: 5.3 D2: daño físico (incendio, explosión, destrucción mecánica, derrame químico) debido a los efectos térmicos de la corriente de descarga D3: falla de los sistemas eléctricos y electrónicos debida a la sobretensión. Tipos de pérdidas Cada tipo de daño, solo o en combinación con otros, puede producir diferentes pérdidas consecuentes en el objeto a proteger. El tipo de pérdida que puede aparecer depende de las características del objeto en sí. A los propósitos de este documento se consideran los siguientes tipos de pérdidas: - L1: pérdida de vida humana; L2: pérdida de servicio al público; L3: pérdida de herencia cultural; L4: pérdida de valor económico (estructura y su contenido, servicio y pérdida de actividad). Pérdidas del tipo L1, L2 y L3 pueden ser consideradas como pérdidas de valores sociales, en tanto que pérdidas del tipo L4 pueden ser consideradas como pérdidas puramente económicas. Las pérdidas que pueden aparecer en una estructura son: - L1: pérdida de vida humana; L2: pérdida de servicio al público; L3: pérdida de herencia cultural; L4: pérdida de valor económico (estructura y su contenido). Las pérdidas que pueden aparecer en un servicio son: Nota: L2: pérdida de servicio al público; L4: pérdida de valor económico (servicio y pérdida de actividad). No se considera en este documento la pérdida de la vida humana en un servicio. La relación entre la fuente del daño, el tipo de daño y la pérdida se indica en la Tabla 3 para estructuras y en la Tabla 4 para servicios. ASOCIACIÓN ELECTROTÉCNICA ARGENTINA INSTALACIONES DE PROTECCIÓN CONTRA LAS DESCARGAS ATMOSFÉRICAS AEA 92305-1 © Edición 2006 Página 17 Tabla 3 – Daños y pérdidas en una estructura de acuerdo a los diferentes puntos de impacto de la descarga de rayo Punto de Fuente del daño Tipo de daño impacto Tipo de pérdida S1 Estructura D1 L1, L4** D2 L1, L2, L3, L4 D3 L1*, L2, L4 Cercano a una estructura S2 D3 L1*, L2, L4 Servicio conectado a la estructura S3 D1 L1, L4** D2 L1, L2, L3, L4 D3 L1*, L2, L4 D3 L1*, L2, L4 Cercano a un servicio S4 * Sólo para estructuras con riesgo de explosión y para hospitales u otras estructuras donde la falla de los sistemas internos pone en peligro inmediatamente la vida humana. ** Sólo para propiedades donde pueden perderse animales. Tabla 4 – Daños y pérdidas en un servicio de acuerdo a los diferentes puntos de impacto de la descarga de rayo Punto de impacto Servicio Fuente del daño Tipo de daño S3 D2 Tipo de pérdida D3 Cercano al servicio S4 D3 Estructura S1 D2 L2, L4 D3 Los tipos de pérdidas en función de los diferentes tipos de daño y los riesgos correspondientes están indicados en la Figura 1. ASOCIACIÓN ELECTROTÉCNICA ARGENTINA Tipo de pérdida Tipo de daño Perjuicio de los seres humanos INSTALACIONES DE PROTECCIÓN CONTRA LAS DESCARGAS ATMOSFÉRICAS AEA 92305-1 © Edición 2006 Página 18 Riesgo 1) R1 Riesgo R2 Riesgo 1) R3 Riesgo R4 Pérdida de la vida humana Pérdida del servicio público Pérdida de herencia cultural Pérdida de valores económicos 2) Daño físico Falla de sistemas eléctricos y electrónicos Daño físico Falla de sistemas eléctricos y electrónicos 3) Daño físico Perjuicio de los seres humanos Daño físico Falla de sistemas eléctricos y electrónicos IEC 2061/05 1) Sólo para estructuras. 2) Sólo para hospitales y otras estructuras donde fallas en los sistemas internos hacen peligrar inmediatamente la vida humana. 3) Sólo para propiedades donde pueden perderse animales. Figura 1 – Tipos de pérdidas y riesgos correspondientes resultantes de los diferentes tipos de daño 6. Necesidad y conveniencia económica de la protección contra el rayo 6.1 Necesidad de la protección contra el rayo Se debe evaluar la necesidad de la protección contra el rayo de un objeto a proteger, a fin de reducir la pérdida de los valores sociales L1, L2 y L3. Para poder evaluar la necesidad de la protección contra el rayo de un objeto, se debe realizar una evaluación de riesgos en concordancia con los procedimientos contenidos en AEA 92305-2. Los siguientes riesgos deben ser tenidos en cuenta, de acuerdo a los tipos de pérdida indicados en 5.3: - R1 : riesgo de pérdida de la vida humana; R2 : riesgo de pérdida de servicios al público; R3 : riesgo de pérdida de herencia cultural. Se necesita la protección contra el rayo si el riesgo R ( R1 a R3 ) es mayor que el nivel tolerable RT . R > RT En este caso, las medidas de protección deben ser adoptadas para reducir el riesgo R ( R1 a R3 ) al nivel tolerable RT . R ≤ RT ASOCIACIÓN ELECTROTÉCNICA ARGENTINA INSTALACIONES DE PROTECCIÓN CONTRA LAS DESCARGAS ATMOSFÉRICAS AEA 92305-1 © Edición 2006 Página 19 Si más de un tipo de pérdida pudiera aparecer en el objeto a ser protegido, se debe satisfacer la condición R ≤ RT para cada tipo de pérdida (L1, L2 y L3). Los valores de riesgo tolerables RT donde la descarga puede resultar en pérdida de elementos de valor social deben estar bajo la responsabilidad de un ente nacional con competencia en el tema. Nota 1: Una autoridad que posea jurisdicción puede especificar la necesidad de la protección contra el rayo para aplicaciones específicas sin requerir una evaluación de riesgo. En estos casos, el nivel requerido de protección contra el rayo será especificado por la autoridad que posea jurisdicción. En algunos casos, una evaluación de riesgo puede ser llevada a cabo como una técnica por la cual justificar la no aplicación a estas exigencias. Nota 2: Información detallada acerca de la evaluación de riesgo y del procedimiento para la selección de medidas de protección está indicada en AEA 92305-2. 6.2 Conveniencia económica de la protección contra el rayo Además de la necesidad de una protección contra el rayo para el objeto a proteger, puede ser útil evaluar los beneficios económicos de proveer medidas de protección para reducir la pérdida económica L4. En este caso, es conveniente evaluar el riesgo R4 de pérdida de valores económicos. La evaluación del riesgo R4 permite el cálculo del costo de la pérdida económica con y sin las medidas de protección adoptadas. La protección contra el rayo es efectiva en cuanto a costos si la suma del costo C RL de la pérdida residual en presencia de las medidas de protección y el costo C PM de las medidas de protección es menor que el costo C L de la pérdida total sin medidas de protección: C RL + C PM < C L Nota: Información detallada acerca de la evaluación de la conveniencia económica de la protección contra el rayo está indicada en AEA 92305-2. 7. Medidas de protección Las medidas de protección pueden ser adoptadas para reducir el riesgo de acuerdo al tipo de daño. 7.1 Medidas de protección para reducir el daño a seres vivos debido a las tensiones de contacto y de paso Las posibles medidas de protección comprenden: - adecuada aislación de las partes conductivas expuestas; equipotencialización por medio de un sistema de tierra mallado; restricciones físicas y avisos de peligro. Nota 1: La equipotencialización no es efectiva contra la tensión de contacto. Nota 2: Un incremento de la resistividad de la superficie del suelo dentro y fuera de la estructura puede reducir el peligro para la vida (ver Cláusula 8 de IEC 92305-3). ASOCIACIÓN ELECTROTÉCNICA ARGENTINA 7.2 INSTALACIONES DE PROTECCIÓN CONTRA LAS DESCARGAS ATMOSFÉRICAS AEA 92305-1 © Edición 2006 Página 20 Medidas de protección para reducir el daño físico Las medidas de protección posibles comprenden: a) para estructuras - sistema de protección contra el rayo (SPR) Nota 1: Cuando se instala un SPR, la equipotencialización es una medida muy importante para reducir el peligro de incendio, explosión y riesgo de muerte. Para más detalles ver AEA 92305-3. Nota 2: Las provisiones que limitan el desarrollo y la propagación del incendio tales como los compartimientos a prueba de incendio, extinguidores, hidrantes, instalaciones de alarma y extinción de incendio, pueden reducir el daño físico. Nota 3: Rutas de escapes protegidas proveen protección para el personal. b) para servicios - pantallas Nota 4: Para los cables enterrados, los conductos de metal ofrecen una protección muy efectiva. 7.3 Medidas de protección para reducir fallas en los sistemas eléctricos y electrónicos Las posibles medidas de protección comprenden: a) para estructuras - sistema de medidas de protección contra los impulsos electromagnéticos (LPMS), que consisten en las siguientes medidas a ser utilizadas solas o en conjunto: • puesta a tierra y equipotencialización; • campo magnético; • criterios adecuados para el tendido de líneas; • protección coordinada de DPS b) para servicios - dispositivos de protección contra sobretensiones (DPS) en diferentes ubicaciones a lo largo de la longitud de la línea y en los extremos de la línea; - pantallas magnéticas de cables. Nota 1: Una malla metálica continua de adecuado espesor provee una protección muy efectiva para los cables enterrados. Nota 2: Son medidas de protección efectivas para reducir la pérdida por fuera de servicio, la redundancia de los tendidos de circuitos, el equipo redundante, los generadores de alimentación autónoma, los sistemas de alimentación ininterrumpidos, los sistemas de almacenamiento de fluidos y los sistemas de detección automática de fallas. Nota 3: Una efectiva medida de protección contra las fallas debidas a una sobretensión, es un incremento en la tensión de aislación de equipos y cables. ASOCIACIÓN ELECTROTÉCNICA ARGENTINA 7.4 INSTALACIONES DE PROTECCIÓN CONTRA LAS DESCARGAS ATMOSFÉRICAS AEA 92305-1 © Edición 2006 Página 21 Selección de las medidas de protección La selección de las medidas de protección más apropiadas deberá ser realizada por el proyectista y el comitente, de acuerdo al tipo y a la cantidad de cada clase de daño y de acuerdo a los aspectos técnicos y económicos de las diferentes medidas de protección. Los criterios para el análisis de riesgo y para la selección de las medidas de protección más apropiadas están dados en AEA 92305-2. Las medidas de protección son eficaces si satisfacen las exigencias de los documentos de aplicación y son aptas para sostener el esfuerzo esperado en el lugar de la instalación. 8. Criterio básico para la protección de las estructuras y servicios Una protección ideal para estructuras y servicios sería encerrar el objeto a ser protegido dentro de un blindaje continuo, perfectamente conductor, de adecuado espesor, puesto a tierra y que provea de una interconexión adecuada, en el punto de entrada de los servicios conectados a la estructura. Esto podría prevenir la penetración de la corriente de rayo y del campo electromagnético asociado dentro del objeto a proteger y prevenir efectos térmicos y electrodinámicos, así también chispas peligrosas y sobretensiones para los sistemas internos. En la práctica, no es a menudo posible ni rentable llegar a tal extremo para proporcionar tal óptima protección. La discontinuidad del blindaje y/o su inadecuado espesor permite a la corriente de rayo penetrar el blindaje causando: - daños físicos y riegos de muerte; falla de los sistemas internos; falla del servicio y de los sistemas conectados. Las medidas de protección, adoptadas para reducir tales daños y pérdidas consecuentes relevantes, deben ser proyectadas para un definido conjunto de parámetros de la corriente de rayo, contra la cual se requiere protección (nivel relativo de protección). 8.1 Niveles de protección contra el rayo Para el objetivo de este documento, se introducen los niveles de protección contra el rayo (I a IV). Para cada nivel de protección contra el rayo se fija un conjunto de parámetros máximos y mínimos de corriente de descarga. Nota 1: No se considera en este documento la protección contra el rayo cuyos parámetros máximos y mínimos de corriente de descarga excedan estos niveles de protección. Nota 2: La probabilidad de la aparición del rayo con parámetros máximos y mínimos de corriente de descarga fuera de los rangos de los valores definidos para los niveles de protección contra las descargas es menor al 2%. Para el nivel de protección contra el rayo I no se deben exceder los valores máximos de la corriente de descarga, con una probabilidad el 99%. Según la relación de polaridad asumida (ver subcláusula A.2), los valores tomados de rayos positivos tendrán probabilidades por debajo del 10%, cuando aquellos de rayos negativos permanecerán por debajo del 1% (ver subcláusula A.3). ASOCIACIÓN ELECTROTÉCNICA ARGENTINA INSTALACIONES DE PROTECCIÓN CONTRA LAS DESCARGAS ATMOSFÉRICAS AEA 92305-1 © Edición 2006 Página 22 Los valores máximos del nivel de protección contra el rayo I son reducidos al 75% para el nivel de protección contra el rayo II y al 50% para los niveles de protección contra el rayo III y IV (lineal para I , Q y di / dt , pero cuadrática para W / R . Los parámetros temporales son invariables. Los valores máximos de los parámetros de la corriente de rayo para los diferentes niveles de protección contra las descargas están dados en la Tabla 5 y son utilizados para el proyecto de los componentes de protección contra las descargas (ej. sección de los conductores, espesor de las láminas metálicas, capacidad de corriente de los DPS, distancia de separación contra las chispas peligrosas) y para definir parámetros de ensayo para simular los efectos de la descarga en tales componentes (ver Anexo D). Los valores mínimos de la amplitud de la corriente de rayo para los diferentes niveles de protección son utilizados para derivar el radio de la esfera rodante, también denominada esfera ficticia, (ver cláusula A.4), a fin de definir la zona de protección contra el rayo LPZ 0 B la cual no puede ser alcanzada por un impacto directo (ver 8.2 y Figuras 2 y 3). Los valores mínimos de los parámetros de la corriente de rayo junto con el radio de la esfera están dados en la Tabla 6. Son utilizados para posicionar el sistema captor y para definir la zona de protección contra la descarga LPZ 0 B (ver 8.2). ASOCIACIÓN ELECTROTÉCNICA ARGENTINA AEA 92305-1 © Edición 2006 Página 23 INSTALACIONES DE PROTECCIÓN CONTRA LAS DESCARGAS ATMOSFÉRICAS Tabla 5 – Valores máximos de parámetros de descargas correspondientes a los niveles de protección contra el rayo Primer impacto corto Parámetros de Nivel de protección contra el rayo Símbolo Unidad I II Corriente pico I kA 200 150 100 Carga del rayo de corta duración Qshort C 100 75 50 Energía específica W /R MJ / Ω 10 5,6 2,5 T1 / T2 μs / μs corriente Parámetros temporales Impactos cortos consecutivos Parámetros de III IV 10 / 350 Nivel de protección contra las descargas Símbolo Unidad I II Corriente pico I kA 50 37,5 25 Radio medio de la esfera rodante di / dt kA / μs 200 150 100 T1 / T2 μs / μs corriente Parámetros temporales Impacto largo Parámetros de Nivel de protección contra las descargas Unidad I II Carga del rayo de larga duración Qlong C 200 150 Parámetros temporales Tlong s Rayo Parámetros de corriente Carga del rayo IV 0,25 / 100 Símbolo corriente III III IV 100 0,5 Nivel de protección contra las descargas Símbolo Unidad I II Q flash C 300 225 III IV 150 ASOCIACIÓN ELECTROTÉCNICA ARGENTINA AEA 92305-1 © Edición 2006 Página 24 INSTALACIONES DE PROTECCIÓN CONTRA LAS DESCARGAS ATMOSFÉRICAS s1 LPZ 0 A 2 s3 1 s 5 3 SPD0 A /1 LPZ 1 r r s2 s s4 LPZ 0 B LPZ 0 B 5 4 IEC 2062/05 1 Estructura S1 Rayo a la estructura 2 Elemento captor S2 Rayo cercano a la estructura 3 Conductor de bajada S3 Rayo a un servicio conectado a la estructura 4 Sistema de puesta a tierra S4 Rayo cercano a un servicio conectado a la estructura 5 Servicios entrantes r Radio de la esfera rodante s Distancia de separación contra chispas peligrosas Nivel de tierra Unión equipotencial de descarga mediante un DPS LPZ O A Rayo directo, corriente de descarga total LPZ OB Rayo no directo, descarga parcial o corriente inducida LPZ 1 Rayo no directo, descarga limitada o corriente inducida La zona protegida dentro de LPZ1 debe respetar la distancia de separación s Figura 2 – Zona de protección contra la descarga definida por los niveles de protección contra el rayo (AEA 92305-3) ASOCIACIÓN ELECTROTÉCNICA ARGENTINA INSTALACIONES DE PROTECCIÓN CONTRA LAS DESCARGAS ATMOSFÉRICAS AEA 92305-1 © Edición 2006 Página 25 s1 LPZ 0 A 2 s3 LPZ 0 B 1 SPD0 B /1 6 3 SPD0 A /1 ds LPZ 1 5 r r s4 SPD 1/2 ds s2 LPZ 2 SPD 1/2 LPZ 0 B LPZ 0 B SPD0 A /1 4 6 IEC 2063/05 1 Estructura (blindaje de LPZ1) S1 Rayo a la estructura 2 Elemento captor S2 Rayo cercano a la estructura 3 Conductor de bajada S3 Rayo a un servicio conectado a la estructura 4 Sistema de puesta a tierra S4 Rayo cercano a un servicio conectado a la estructura 5 Servicios entrantes (blindaje de LPZ2) r Radio de la esfera rodante 6 Servicios conectados a la estructura dS Distancia segura contra campos magnéticos muy intensos Nivel de tierra Unión equipotencial de descarga mediante un DPS LPZ O A Rayo directo, corriente de descarga total, campo magnético total LPZ OB Rayo no directo, descarga parcial o corriente inducida, campo magnético total LPZ 1 Rayo no directo, corrientes inducidas, campo magnético atenuado LPZ2 Rayo no directo, corrientes inducidas, campo magnético más atenuado Las zonas protegidas dentro de LPZ1 y LPZ2 deben respetar la distancia de separación d S Figura 3 – Zona de protección contra el rayo definida por las medidas de protección contra el LEMP (AEA 92305-4) ASOCIACIÓN ELECTROTÉCNICA ARGENTINA INSTALACIONES DE PROTECCIÓN CONTRA LAS DESCARGAS ATMOSFÉRICAS AEA 92305-1 © Edición 2006 Página 26 Tabla 6 – Valores mínimos de los parámetros de la corriente de rayo relacionados al radio de la esfera rodante correspondiente a los niveles de protección Criterio de intersección Nivel de protección Símbolo Unidad I II III IV Mínima corriente pico I kA 3 5 10 16 Radio de la esfera rodante r m 20 30 45 60 A partir de las distribuciones estadísticas dadas en la Figura A.5, una probabilidad mayor puede determinar que los parámetros de la corriente de rayo sean menores que los valores máximos y respectivamente más elevados que los valores mínimos definidos para cada nivel de protección (ver Tabla 7). Tabla 7 – Probabilidades para los límites de los parámetros de las corrientes de rayo Probabilidad que los parámetros de la corriente de rayo sean: Niveles de protección I II III IV inferiores a los valores máximos definidos en la Tabla 5 0,99 0,98 0,97 0,97 superiores a los valores mínimos definidos en la Tabla 6 0,99 0,97 0,91 0,84 Las medidas de protección especificadas en AEA 92305-3, AEA 92305-4 y AEA 92305-5 son efectivas contra las descargas, si los parámetros de corriente están en el rango definido por los niveles de protección adoptados para el diseño. Por lo tanto la eficiencia de una medida de protección se supone igual a la probabilidad de que los parámetros de corriente de rayo estén dentro de dichos rangos. 8.2 Zonas de protección contra las descargas (LPZ) Las medidas de protección tales como los niveles de protección contra las descargas, cables blindados, blindajes magnéticos y DPS determinan las zonas de protección contra las descargas (LPZ). La zona de protección contra las descargas aguas abajo de la medida de protección está caracterizada por una reducción significativa del impulso electromagnético debido a la descarga del rayo, que aquellas aguas arriba de la zona de protección contra las descargas. Con respecto a la amenaza de la descarga, se definen las siguientes zonas de protección contra el rayo (ver Figuras 2 y 3): LPZ O A LPZ OB zona donde la amenaza se debe al impacto directo del rayo y al campo electromagnético total. Los sistemas internos pueden estar sujetos a ondas de choque de corrientes totales o parciales; zona protegida contra los impactos directos de rayos, pero donde la amenaza es el campo electromagnético total. Los sistemas internos pueden estar sujetos a corrientes de descarga parciales; ASOCIACIÓN ELECTROTÉCNICA ARGENTINA INSTALACIONES DE PROTECCIÓN CONTRA LAS DESCARGAS ATMOSFÉRICAS AEA 92305-1 © Edición 2006 Página 27 LPZ 1 zona donde la onda de choque de corriente es limitada por la corriente compartida y por los DPS en la frontera. Los blindajes espaciales pueden atenuar el campo electromagnético debido al rayo; LPZ 2,...,n zona donde la onda de choque de corriente puede ser aún más limitada por la corriente compartida y por DPS adicionales en la frontera. Escudos espaciales adicionales pueden ser utilizados además para atenuar más el campo electromagnético. Nota 1: En general, cuanto más alto es el número de una zona individual, más bajos son los parámetros electromagnéticos del medio ambiente. Como una regla general de protección, el objeto a proteger (estructura, servicio o parte) debe estar en una zona de protección contra el rayo, cuyas características electromagnéticas sean compatibles con la capacidad del objeto de resistir el esfuerzo causante del daño (daño físico, falla de sistemas eléctricos y electrónicos debido a sobretensiones). Nota 2: Para la mayoría de los sistemas eléctricos y electrónicos y los aparatos, los niveles de resistencia pueden ser otorgados por el fabricante. 8.3 Protección de estructuras 8.3.1 Protección para reducir los daños físicos y el riego de muerte La estructura a proteger debe estar dentro de una zona de protección contra las descargas OB o superior. Esto se alcanza mediante un sistema de protección contra el rayo (SPR). Un sistema de protección contra el rayo consiste en ambos sistemas, externos e internos, de protección contra el rayo (ver Figura 2). Las funciones de los sistemas de protección contra las descargas externas son - interceptar un rayo de descarga a la estructura (con un elemento captor), conducir la corriente de descarga a tierra en forma segura (con un sistema conductor de bajada), dispersarla dentro de la tierra (con un sistema de puesta a tierra). La función de los sistemas de protección contra las descargas internas es prevenir chispas peligrosas dentro de la estructura, utilizando una unión equipotencial o una distancia de separación s , (y por lo tanto aislación eléctrica) entre las componentes de los sistemas de protección contra el rayo y otros elementos internos eléctricamente conductores a la estructura. Se definen cuatro clases de sistemas de protección contra el rayo (I, II, III y IV) como un conjunto de reglas de construcción, basados en los niveles de protección contra las descargas correspondientes. Cada conjunto incluye reglas de construcción de niveles dependientes (ej. radio de la esfera rodante, cuadrícula de la malla, etc.) y reglas de construcción de niveles independientes (ej. secciones, materiales, etc.). Donde la resistencia de la superficie del suelo afuera, y del piso dentro de la estructura no son lo suficientemente altos, se reducen los riesgos de vida debidos a sobretensiones de contacto y de paso: - fuera de la estructura, por aislación de las partes conductivas expuestas, por equipotencialización del suelo mediante un sistema mallado de tierra, por avisos de cuidado y por restricciones físicas; ASOCIACIÓN ELECTROTÉCNICA ARGENTINA - INSTALACIONES DE PROTECCIÓN CONTRA LAS DESCARGAS ATMOSFÉRICAS AEA 92305-1 © Edición 2006 Página 28 dentro de la estructura, por unión equipotencial de servicios al punto de entrada en la estructura. Los sistemas de protección contra el rayo deben cumplir con los requisitos de AEA 92305-3. 8.3.2 Protección para reducir la falla de los sistemas internos Para reducir el riesgo de falla de sistemas internos a protección contra impulsos electromagnéticos debe limitar: - sobretensiones debidas a descargas de rayos en la estructura resultantes de acoplamientos resistivos e inductivos; sobretensiones debidas a descargas de rayos cerca de la estructura resultantes de acoplamiento inductivo; sobretensiones transmitidas por líneas conectadas a la estructura debidas a rayos próximos a las líneas; campo magnético acoplado directamente con los sistemas internos. Nota: Las fallas de aparatos debidas a los campos magnéticos directamente irradiados dentro de los equipos son despreciables, si los aparatos cumplan con los niveles de emisión de ondas de radiofrecuencia y los ensayos de inmunidad definidos por las normas de compatibilidad electromagnética de los productos (ver AEA 92305-2 e AEA 92305-4). El sistema a proteger debe ubicarse dentro de una LPZ1 o superior. Esto se alcanza por medio de los blindajes magnéticos que atenúan el campo magnético inducido y/o el camino conveniente del cableado que reduce el lazo de inducción. La vinculación será proporcionada en los límites de la zona de protección contra el rayo para las piezas y los sistemas de metal que cruzan los límites. Esta interconexión se puede lograr por medio de la vinculación de los conductores o, cuando es necesaria, por los DPS. Las medidas de protección para las zonas de protección contra el rayo deben estar de acuerdo con AEA 92305-4. Una protección eficaz contra las sobretensiones, que causan fallas en los sistemas internos, se puede también alcanzar mediante una protección coordinada de DPS, limitando sobretensiones debajo del voltaje clasificado de resistencia al impulso del sistema a proteger. Los DPS deben ser seleccionados e instalados conforme a los requisitos de AEA 92305-4. ASOCIACIÓN ELECTROTÉCNICA ARGENTINA 8.4 INSTALACIONES DE PROTECCIÓN CONTRA LAS DESCARGAS ATMOSFÉRICAS AEA 92305-1 © Edición 2006 Página 29 Protección de los servicios El servicio a proteger debe ser: - dentro de una zona de protección contra las descargas OB o superior para reducir los daños físicos. Esto se logra mediante la selección del camino subterráneo en lugar del camino aéreo o mediante el posicionamiento adecuado del cable blindado, siendo efectivo conforme a las características de las líneas o, en el caso de tuberías, mediante el incremento del espesor de los caños a un valor adecuado y asegurando la continuidad metálica de las canalizaciones; - dentro de una zona de protección contra las descargas LPZ1 o superior para la protección contra las sobretensiones causantes de fallas en el servicio. Esto se logra mediante la reducción del nivel de las sobretensiones inducidas por el rayo por medio de un adecuado blindaje magnético de los cables, derivando sobrecorrientes y limitando las sobretensiones inducidas por medio de DPS adecuados. ASOCIACIÓN ELECTROTÉCNICA ARGENTINA INSTALACIONES DE PROTECCIÓN CONTRA LAS DESCARGAS ATMOSFÉRICAS AEA 92305-1 © Edición 2006 Página 30 Anexo A (Informativo) Parámetros de la corriente de rayo A.1 Rayo a tierra Existen dos tipos básicos de rayos: - rayos descendentes iniciados por un líder descendente desde la nube a la tierra; rayos ascendentes iniciados por un líder ascendente desde una estructura puesta a tierra hasta una nube. La mayoría de los rayos descendentes ocurren en terreno plano y hacia estructuras bajas, mientras que para estructuras altas y/o expuestas predominan los rayos ascendentes. La probabilidad de impacto aumenta con la altura real de las estructuras (ver AEA 92305-2, Anexo A) y las condiciones físicas son modificadas. La corriente de descarga del rayo comprende uno o varios impulsos: - descarga de corta duración con duración menor a 2 ms (Figura A.1) descarga de larga duración con duración mayor a 2 ms (Figura A.2). 90 % +- j 50 % I 10 % O1 T1 t T2 IEC 2064/05 Referencias: O1 origen virtual I corriente pico T1 tiempo de frente T2 tiempo de cola Figura A.1 – Definiciones de los parámetros de corta duración (típicamente T2 < 2 ms) ASOCIACIÓN ELECTROTÉCNICA ARGENTINA AEA 92305-1 © Edición 2006 Página 31 INSTALACIONES DE PROTECCIÓN CONTRA LAS DESCARGAS ATMOSFÉRICAS +- i Qlong 10 % 10 % T T long IEC 2065/05 Leyenda Tlong tiempo de duración Qlong descarga de larga duración Figura A.2 – Definiciones de los parámetros de larga duración (típicamente 2 ms < Tlong < 1 s) Una diferencia complementaria de los impactos viene de su polaridad (positiva o negativa) y de su posición durante el rayo (primero, consecutivos, superpuestos). Las componentes posibles se indican en la Figura A.3 para rayos descendentes y en la Figura A.4 para rayos ascendentes. +-i +- i Priemer impacto corto Impacto largo Positiva o negativa Positiva o negativa T T -i -i Impactos cortos subsecuentes Negativa T Negativa T IEC 2066/05 Figura A.3 – Componentes posibles de rayos descendentes (típicas en territorios planos y estructuras bajas) ASOCIACIÓN ELECTROTÉCNICA ARGENTINA INSTALACIONES DE PROTECCIÓN CONTRA LAS DESCARGAS ATMOSFÉRICAS AEA 92305-1 © Edición 2006 Página 32 +- i +-i Impacto corto Impacto largo Primer impacto largo Positiva o negativa Positiva o negativa T T +-i +- i Impactos cortos subsecuentes Negativa T Negativa T +-i impacto largo simple Positiva o negativa T IEC 2067/05 Figura A.4 – Componentes posibles de rayos ascendentes (típicas a estructuras expuestas y/o elevadas) La componente adicional en los rayos ascendentes es el primer impacto largo con o sin alguna decena de impactos cortos superpuestos. Pero todos los parámetros de impacto corto de rayos ascendentes son menores que aquellos de los rayos descendentes. Todavía no se confirmó una carga superior de impacto largo de rayos ascendentes. Por lo tanto los parámetros de la corriente de descarga de rayos ascendentes se consideran cubiertos por los valores máximos dados para rayos descendentes. Una ASOCIACIÓN ELECTROTÉCNICA ARGENTINA INSTALACIONES DE PROTECCIÓN CONTRA LAS DESCARGAS ATMOSFÉRICAS AEA 92305-1 © Edición 2006 Página 33 evaluación más precisa de los parámetros de la corriente de descarga y su dependencia de altura con respecto a rayos ascendentes y descendentes está bajo consideración. A.2 Parámetros de la corriente de rayo Los parámetros de la corriente de rayo en este documento están basados en los resultados del Conferencia Internacional de Grandes Redes Eléctricas (CIGRE), datos dados en la Tabla A.1. Su distribución estadística puede ser considerada como una distribución logarítmica normal. El correspondiente significado del valor μ y la dispersión σ log están dados en la Tabla A.2 y la función distribución se muestra en la Figura A.5. Sobre esta base, puede ser determinada la probabilidad de la aparición de cualquier valor de cada parámetro. Se presume una relación de polaridad del 10% positivo y el 90% negativo. La relación de polaridad es en función del territorio. En caso de ausencia de información local, se debe utilizar la relación adjunta dada. Tabla A.1 – Valores tabulados de los parámetros de descargas tomados del CIGRE (Electra N° 41 o N° 69*) 95% 4(98%) Valores 50% 20(80%) 5% 90 4,9 11,8 28,6 4,6 1,3 20 1,1 35 7,5 80 4,5 250 40 350 20 0,22 0,95 4 2 6 16 55 150 550 0,55 6 52 di / dt max 25 9,1 650 24,3 15 000 65 [kA / μs] 9,9 39,9 161,5 0,2 4,1 2,4 20,1 32 98,5 Parámetro Valores fijos para LPL I I [kA] 50 200 Q flash [C] 300 Qshort [C] 100 W / R [kJ / Ω] 10 000 di / dt30 / 90 % 20 200 [kA / μs] Tipo de impacto *Primero corto negativo *Consecutivos cortos negativos Primero corto positivo (único) Rayo negativo Rayo positivo *Primero corto negativo *Consecutivos cortos negativos Primero corto positivo (único) Primero corto negativo Consecutivos cortos negativos Primero corto positivo *Primero corto negativo *Consecutivos cortos negativos Primero corto positivo *Consecutivos cortos negativos Qlong [C] 200 Largo tlong [s] 0,5 Largo Duración del frente [ μs] Duración del impacto [ μs] Intervalo de tiempo [ ms] Duración total del rayo [ ms] 1,8 5,5 18 0,22 1,1 4,5 3,5 30 22 75 200 200 6,5 32 140 25 7 230 33 2 000 150 Primero corto negativo Consecutivos cortos negativos Primero corto positivo (único) Primero corto negativo Consecutivos cortos negativos Primero corto positivo (único) Impactos múltiples negativos 0,15 13 1 100 Rayo negativo (todos) 31 180 900 Rayo negativo (con excep- Línea en la Figura A.5 1A+1B 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 ASOCIACIÓN ELECTROTÉCNICA ARGENTINA INSTALACIONES DE PROTECCIÓN CONTRA LAS DESCARGAS ATMOSFÉRICAS AEA 92305-1 © Edición 2006 Página 34 ción del único) 85 500 Rayo positivo Nota: Los valores de I = 4 kA e I = 20 kA corresponden a la probabilidad de 98% y 80% respectivamente. 14 Tabla A.2 – Distribución logarítmica normal de los parámetros de las corrientes de descarga - valores promedio μ y dispersión σ log calculados para el 95% y 5% del CIGRE (Electra N° 41 o N° 69*) Promedio Dispersión σ log Tipo de impacto Línea en la Figura A.5 (61,1) 33,3 11,8 33,9 7,21 83,7 4,69 0,938 17,3 57,4 5,35 612 24,3 40,0 2,53 0,576 0,263 0,233 0,527 0,452 0,378 0,383 0,383 0,570 0,596 0,600 0,844 0,260 0,369 0,670 *Primero corto negativo (80%) *Primero corto negativo (80%) *Consecutivos cortos negativos Primero corto positivo (único) Rayo negativo Rayo positivo Primero corto negativo *Consecutivos cortos negativos Primero corto positivo (único) Primero corto negativo Consecutivos cortos negativos Primero corto positivo *Primero corto negativo *Consecutivos cortos negativos Primero corto positivo 1A 1B 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 [kA / μs] 20,1 0,420 *Consecutivos cortos negativos 15 Qlong [C] 200 Parámetro I [kA] Q flash [C] Qshort [C] W / R [kJ / Ω] di / dt max [kA / μs] di / dt30 / 90 % tlong [s] Duración del frente [ μs] Duración del impacto [ μs] Intervalo de tiempo [ ms] Duración total del rayo [ ms] μ Largo 0,5 Largo 5,69 0,995 26,5 77,5 30,2 224 32,4 0,304 0,398 0,534 0,250 0,405 0,578 0,405 12,8 167 83,7 1,175 0,445 0,472 Primero corto negativo Consecutivos cortos negativos Primero corto positivo (único) Primero corto negativo Consecutivos cortos negativos Primero corto positivo (único) Impactos múltiples negativos Rayo negativo (todos) Rayo negativo (con excepción del único) Rayo positivo ASOCIACIÓN ELECTROTÉCNICA ARGENTINA AEA 92305-1 © Edición 2006 Página 35 INSTALACIONES DE PROTECCIÓN CONTRA LAS DESCARGAS ATMOSFÉRICAS 3 10 0,2 1 0,5 2 5 10 20 30 40 60 50 70 80 90 95 99,5 99 98 Provabilidad % 99,8 100 7 2 14 3 8 4 4 6 1A 8 101 6 13 15 2 2 5 12 4 6 1B 9 8 102 11 3 2 3 4 6 8 103 Parámetros corregidos 2 IEC 2068/05 Parámetro 3 4 6 8 104 Figura A.5 – Frecuencia de distribución acumulativa de los parámetros de la corriente de rayo (valores entre 95% y 5%) ASOCIACIÓN ELECTROTÉCNICA ARGENTINA INSTALACIONES DE PROTECCIÓN CONTRA LAS DESCARGAS ATMOSFÉRICAS AEA 92305-1 © Edición 2006 Página 36 Todos los valores fijados para los niveles de protección contra el rayo dados en este documento se refieren a los rayos descendentes y ascendentes. Nota: El valor de los parámetros usualmente se obtiene de las mediciones tomadas en objetos altos. La distribución estadística de los valores máximos actuales estimados de la descarga, que no considera el efecto de objetos altos, puede obtenerse también a partir de sistemas de localización de rayos. A.3 Determinación de los parámetros máximos de la corriente de descarga para el nivel de protección contra el rayo I Los efectos mecánicos de la descarga están relacionados al valor pico de la corriente ( I ) y a la energía específica (W / R) . Los efectos térmicos están relacionados con la energía específica (W / R) cuando está involucrado el acoplamiento resistivo y a la carga (Q) cuando los arcos se desarrollan en la instalación. Las sobretensiones y las chispas peligrosas causadas por el acoplamiento inductivo están relacionadas con la pendiente media (di / dt ) del frente de la onda de corriente. Cada uno de los parámetros únicos ( I , Q,W / R, di / dt ) tienden a dominar cada mecanismo de falla. Esto debe ser tomado en cuenta en la elaboración de procedimientos de ensayos. A.3.1 Primer impacto corto e impacto largo Los valores de I , Q y W / R relacionados a los efectos térmicos y mecánicos son determinados por los rayos positivos (porque el 10% de sus valores son mucho mayores que el 1% correspondiente a los valores de los rayos negativos). De la figura A.5 (líneas 3, 5, 8, 11 y 14) se pueden tomar los siguientes valores con probabilidades debajo del 10%: I Q flash = 200 kA = 300 C Qlong W /R di / dt =100 C =10 MJ / Ω = 20 kA / μs Para un primer impacto corto conforme a la Figura A.1, estos valores dan una primera aproximación para el tiempo de frente: T1 = I / (di / dt ) =10 μs ( T1 es de menor interés) Para un impacto exponencial decreciente, se aplica la siguiente fórmula para valores aproximados de carga y energía (T1 << T2 ) : Qshort W /R = (1 / 0,7) ⋅ I ⋅T2 = (1 / 2) ⋅ (1 / 0,7) ⋅ I 2 ⋅T2 Estas fórmulas, junto con los valores dados anteriormente, conducen a una primera aproximación para el tiempo de cola: ASOCIACIÓN ELECTROTÉCNICA ARGENTINA INSTALACIONES DE PROTECCIÓN CONTRA LAS DESCARGAS ATMOSFÉRICAS AEA 92305-1 © Edición 2006 Página 37 T2 = 350 μs Para el impacto largo, se puede calcular su carga aproximadamente de: Qlong = Q flash − Qshort = 200 C Su tiempo de duración, según la Figura A.2, puede ser estimado a partir del tiempo de duración del rayo como: Tlong = 0,5 s A.3.2 Impactos cortos consecutivos El valor máximo de la pendiente media di / dt relacionado a las chispas peligrosas causadas por el acoplamiento inductivo, se determina a partir de los impactos cortos consecutivos de los rayos negativos (porque el 1% de sus valores son muy superiores que el 1% de los valores de los impactos primeros negativos o que el 10% de los valores correspondientes a los rayos positivos). De la Figura A.5 (líneas 2 y 15) se pueden tomar los siguientes valores con probabilidades por debajo del 1%: I = 50 kA di / dt = 200 kA / μs Para un impacto corto consecutivo conforme a la Figura A.1, estos valores dan una primera aproximación de su tiempo de frente de: T1 = I / (di / dt ) = 0,25 μs Su tiempo de cola se puede estimar de la duración de los impactos cortos subsecuentes negativos: T2 =100 μs ( T2 es de menor interés). A.4 Determinación de los parámetros mínimos de la corriente de descarga La eficacia de la intercepción de un sistema de protección contra el rayo depende de los parámetros mínimos de la corriente de descarga y del radio de la esfera rodante relacionada. El límite geométrico de áreas las cuales son protegidas contra impactos directos de rayos puede determinarse utilizando el método de la esfera rodante. Siguiendo el modelo electro-geométrico, el radio de la esfera rodante r (distancia final del salto) es correlativa con el valor pico de la corriente del primer impacto corto. En un informe de un grupo de trabajo de la IEEE, la relación dada es: r =10 ⋅ I 0,65 Donde r es el radio de la esfera rodante [m] I es la corriente pico [kA] (A.1) ASOCIACIÓN ELECTROTÉCNICA ARGENTINA INSTALACIONES DE PROTECCIÓN CONTRA LAS DESCARGAS ATMOSFÉRICAS AEA 92305-1 © Edición 2006 Página 38 Para un radio de la esfera rodante r dado se puede suponer que todos los rayos con valores pico superiores que el valor pico mínimo correspondiente I , será interceptado mediante elementos captores naturales o específicos. Por lo tanto, la probabilidad para los valores picos de los primeros impactos negativos y positivos de la figura A.5 (líneas 1ª y 3) se asume que serán la probabilidad de la intercepción. Tomando en cuenta la polaridad del 10% de los rayos negativos y el 90% de los rayos positivos, se puede calcular la total probabilidad de intercepción (ver Tabla 7). ASOCIACIÓN ELECTROTÉCNICA ARGENTINA INSTALACIONES DE PROTECCIÓN CONTRA LAS DESCARGAS ATMOSFÉRICAS AEA 92305-1 © Edición 2006 Página 39 Anexo B (Informativo) Corriente de rayo en función del tiempo con propósito de análisis Las formas de onda de corriente de: - el primer impacto corto 10/350 μs los impactos cortos consecutivos 0,25/100 μs pueden ser definidos por: I (t / τ 1 )10 i= ⋅ ⋅ exp (-t / τ 2 ) k 1 + (t / τ 1 )10 (B.1) Donde I es la corriente pico; k es el factor de corrección para la corriente pico; t es el tiempo; τ 1 es la constante de tiempo de frente; τ 2 es la constante de tiempo de cola. Para las ondas de corriente del primer impacto corto y de los impactos cortos consecutivos, para los diferentes niveles de protección contra el rayo, se aplican los parámetros dados en la Tabla B.1. Las curvas analíticas se muestran en las Figuras B.1 a B.4. Tabla B.1 – Parámetros para la ecuación B.1 Parámetros I [kA] k τ 1 [ μs ] τ 2 [ μs ] Primer impacto corto Niveles de protección contra la descarga I II III-IV Impactos cortos consecutivos Niveles de protección contra la descarga I II III-IV 200 150 100 50 37,5 25 0,93 0,93 0,93 0,993 0,993 0,993 19 19 19 0,454 0,454 0,454 485 485 485 143 143 143 ASOCIACIÓN ELECTROTÉCNICA ARGENTINA INSTALACIONES DE PROTECCIÓN CONTRA LAS DESCARGAS ATMOSFÉRICAS AEA 92305-1 © Edición 2006 Página 40 100 % i 90 % 5 µs 50 % 10 % 0% T1 t T2 IEC 2069/05 Figura B.1 – Forma de onda de la corriente de frente del primer impacto corto ASOCIACIÓN ELECTROTÉCNICA ARGENTINA AEA 92305-1 © Edición 2006 Página 41 INSTALACIONES DE PROTECCIÓN CONTRA LAS DESCARGAS ATMOSFÉRICAS 100 % i 200 µs 50 % 50 % 0% T2 t IEC 2070/05 Figura B.2 – Forma de onda de la corriente de cola del primer impacto corto ASOCIACIÓN ELECTROTÉCNICA ARGENTINA AEA 92305-1 © Edición 2006 Página 42 INSTALACIONES DE PROTECCIÓN CONTRA LAS DESCARGAS ATMOSFÉRICAS 100 % i 90 % 0,2µs 50 % 10 % 0% T1 t T2 IEC 2071/05 Figura B.3 – Forma de onda de la corriente de frente de los impactos cortos consecutivos ASOCIACIÓN ELECTROTÉCNICA ARGENTINA AEA 92305-1 © Edición 2006 Página 43 INSTALACIONES DE PROTECCIÓN CONTRA LAS DESCARGAS ATMOSFÉRICAS i 100 % 50µs 50 % 50 % 0% T2 t IEC 2072/05 Figura B.4 – Forma de onda de la corriente de cola de los impactos cortos consecutivos ASOCIACIÓN ELECTROTÉCNICA ARGENTINA AEA 92305-1 © Edición 2006 Página 44 INSTALACIONES DE PROTECCIÓN CONTRA LAS DESCARGAS ATMOSFÉRICAS El impacto largo se puede describir como una forma de onda rectangular con una corriente promedio I y una duración Tlong de acuerdo a la Tabla 5. A partir de las curvas analíticas, se puede derivar la densidad de amplitud de la corriente de rayo (Figura B.5). 10 3 4 2 10 2 A Hz 10 4 1 10 0 1 10 3 -1 4 10 10 -2 -3 10 -1 10 0 10 1 10 2 10 3 10 4 10 5 10 f 6 10 7 Hz IEC 2073/05 1 Impacto corto 2 Primer impacto corto 3 4 Impactos cortos consecutivos A 200 kA 50 kA 400 0,5 s 10/350 μs 0,25/100 Curva envolvente Figura B.5 – Densidad de amplitud de la corriente de rayo de acuerdo al nivel de protección contra las descargas I μs ASOCIACIÓN ELECTROTÉCNICA ARGENTINA INSTALACIONES DE PROTECCIÓN CONTRA LAS DESCARGAS ATMOSFÉRICAS AEA 92305-1 © Edición 2006 Página 45 Anexo C (Informativo) Simulación de la corriente de rayo con propósitos de ensayo C.1 General Si un objeto es impactado por un rayo, la corriente de descarga se distribuye dentro del objeto. Cuando se ensayan los componentes de las medidas de protección en forma individual, esto debe ser tomado en cuenta eligiendo parámetros de ensayos apropiados para cada componente. Con este fin, se tiene que realizar un análisis del sistema. C.2 largo Simulación de la energía específica del primer impacto corto y la carga del impacto Los parámetros de ensayo están definidos en las Tablas C.1 y C.2 y un ejemplo de ensayo de generador se muestra en la Figura 1. Este generador puede ser utilizado para simular la energía específica del primer impacto corto combinado con la carga del impacto largo. Este ensayo tiene por objeto evaluar para determinar la integridad mecánica, la ausencia de calentamientos indeseables y de los efectos de fusión. Los parámetros de ensayo relevantes para la simulación del primer impacto corto (la corriente pico I , la energía específica W / R y la carga Qs ) están dados en la Tabla C.1. Estos parámetros deben ser obtenidos en el mismo impulso. Esto se puede realizar mediante una aproximación de la corriente exponencial decreciente con T2 en el rango de los 350 μs . Los parámetros de ensayo relevantes para la simulación del impacto largo (carga Ql y la duración T ) están dados en la Tabla C.2. Dependiendo del tipo de ensayo y los mecanismos de daños previstos, los ensayos para el primer impacto corto pueden efectuarse solos o como un ensayo combinado, donde el impacto largo sigue inmediatamente al primer impacto corto. Es conveniente efectuar las pruebas de fusión del arco utilizando ambas polaridades. ASOCIACIÓN ELECTROTÉCNICA ARGENTINA INSTALACIONES DE PROTECCIÓN CONTRA LAS DESCARGAS ATMOSFÉRICAS Interruptor de puesta en marcha AEA 92305-1 © Edición 2006 Página 46 100 µH a 300 µH L 1,5 O Lp 20 µF 0,5 s Shunt Rp 160 kV tensión de carga UL G = 600 V R1 = 0,1 O R2 R3 Generador de corriente para el primer impacto corto Generador de corriente para el impacto largo IEC 2074/05 Nota: Los valores se aplican al nivel de protección contra el rayo I. Figura C.1 – Ejemplos de generador de ensayo para la simulación de la energía específica del primer impacto corto y la carga del impacto largo Tabla C.1 – Parámetros de ensayo del primer impacto corto Parámetros de ensayo Corriente pico Carga I [kA] [C ] Q Energía específica W /R [ MJ / Ω] Nivel de protección contra la descarga I II III-IV Tolerancia % 200 150 100 100 75 50 ± ± 10 5,6 2,5 ± 10 20 35 Tabla C.2 – Parámetros de ensayo del impacto largo Parámetros de ensayo Carga Qlong Duración C.3 T Nivel de protección contra la descarga I II III-IV [C ] 200 150 100 [s] 0,5 0,5 0,5 Tolerancia % ± ± 20 10 Simulación de la pendiente de la corriente de frente de los impactos cortos La velocidad de crecimiento de la corriente determina las tensiones magnéticas inducidas en los lazos que son instalados cerca de los conductores que llevan las corrientes de rayo. La pendiente de corriente de un impacto corto se define como el incremento de la corriente Δi durante el aumento de tiempo Δt (Figura C.2). Los parámetros de ensayos relevantes para la simulación de estas pendientes de corrientes están dados en la Tabla C.3. Los ejemplos de los generadores de ensayo se muestran en las Figuras C.3 y C.4, (el cual se puede utilizar para simular la pendiente del frente de una corriente de rayo asociada con un impacto directo). La simulación puede ser hecha para un primer impacto corto y un impacto corto consecutivo. ASOCIACIÓN ELECTROTÉCNICA ARGENTINA INSTALACIONES DE PROTECCIÓN CONTRA LAS DESCARGAS ATMOSFÉRICAS AEA 92305-1 © Edición 2006 Página 47 Nota: Esta simulación cubre la pendiente de la corriente de frente de los impactos cortos. La corriente de cola no tiene influencia en esta clase de simulación. La simulación de acuerdo a la Cláusula C.3 puede ser aplicada independientemente o en combinación con la simulación de acuerdo a la Cláusula C.2. Para mayor información de los parámetros de ensayo simulando los efectos de la descarga en componentes de sistemas de protección contra el rayo, ver el Anexo D. Tabla C.3 – Parámetros de ensayo de los impactos cortos Niveles de protección contra las descargas I II III-IV Parámetros de ensayo Tolerancia % Primer impacto corto Δi [kA] 200 150 100 ± 10 Δt [ μs] 10 10 10 ± 20 Impactos cortos consecutivos [kA] 50 37,5 25 ± 10 Δt [ μs] 0,25 0,25 0,25 ± 20 i Δi Δi t Δt IEC 2075/05 Figura C.2 – Definición de la pendiente de corriente de acuerdo con la Tabla C.3 ASOCIACIÓN ELECTROTÉCNICA ARGENTINA INSTALACIONES DE PROTECCIÓN CONTRA LAS DESCARGAS ATMOSFÉRICAS 2 µH AEA 92305-1 © Edición 2006 Página 48 0,25 O 9 µH 160 kV tensión de carga UL 10 µF 0,1 O Item de prueba Generador de corriente IEC 2076/05 Nota: Estos valores se aplican a los niveles de protección contra el rayo I. Figura C.3 – Ejemplo del generador de ensayo para la simulación de la pendiente de frente del primer impacto corto para equipos importantes 6 µH 10 O 9 µH 3,5 MV tensión de carga UL 10 nF 0,1 O Generador de corriente Item de prueba IEC 2076/05 Nota: Estos valores se aplican a los niveles de protección contra el rayo I. Figura C.4 – Ejemplo del generador de ensayo para la simulación de la pendiente de frente de los impactos cortos consecutivos para equipos importantes ASOCIACIÓN ELECTROTÉCNICA ARGENTINA INSTALACIONES DE PROTECCIÓN CONTRA LAS DESCARGAS ATMOSFÉRICAS AEA 92305-1 © Edición 2006 Página 49 Anexo D (Informativo) Parámetros de ensayo simulando los efectos de la descarga sobre los componentes de los sistemas de protección contra el rayo D.1 Generalidades Este Anexo D brinda los parámetros básicos a utilizar en un laboratorio para simular los efectos de una descarga. Este anexo cubre todos los componentes de un sistema de protección contra el rayo sujetos a toda o a la mayor parte de la corriente de descarga y debe ser utilizado en conjunto con las normas de producto correspondientes especificando los requerimientos y los ensayos para cada componente en particular. Nota: Los parámetros relativos a los aspectos del sistema (ej. para la coordinación de los DPS) no son considerados en este anexo. D.2 Parámetros de corriente relativos al punto de impacto Los parámetros de la corriente de descarga que juegan un rol en la integridad física de un sistema de protección contra el rayo son en general la corriente pico I , la carga Q , la energía específica W / R , la duración T y la pendiente de la corriente di / dt . Cada parámetro tiende a dominar un mecanismo de falla diferente, como se analiza en detalle a continuación. Los parámetros de corriente a considerar para ensayos son combinaciones de estos valores, elegidos para representar en laboratorio el mecanismo de falla actual de la parte del sistema de protección contra el rayo a ser ensayado. El criterio para la selección de los valores representativos está dado en la cláusula D.5. La Tabla D.1 registra los valores máximos de I , Q , W / R , T y di / dt a considerar para ensayos, como una función del nivel de protección requerido. ASOCIACIÓN ELECTROTÉCNICA ARGENTINA AEA 92305-1 © Edición 2006 Página 50 INSTALACIONES DE PROTECCIÓN CONTRA LAS DESCARGAS ATMOSFÉRICAS Tabla D.1 – Resumen de los parámetros del rayo a considerar en el cálculo de los valores de ensayos, para los diferentes componentes del sistema de protección contra el rayo y los diferentes niveles de protección contra el rayo Componente Elemento captor Problemas principales Erosión en el punto de contacto (ej. hojas finas de metal) Calentamiento óhmico Elemento captor y conductor de bajada Efectos mecánicos Componentes de conexión Efectos combinados (térmicos, mecánicos y arcos) Parámetros del rayo Nivel de protección contra la descarga Descargadores con explosores Erosión en el punto de contacto Efectos combinados (térmicos, mecánicos y arcos) T <1 s (aplicando I II III-IV 200 150 100 Nivel de protección contra la descarga W /R [kJ / Ω] T I II III-IV 10 000 5 600 2 500 Para W / R en configuración adiabática I [kA] W /R [kJ / Ω] 200 150 100 10 000 5600 2500 I [kA] W /R [kJ / Ω] Nivel de protección contra la descarga I II III-IV Nivel de protección contra la descarga I II III-IV Nivel de protección contra la descarga Tomas de tierra Qlong [C] Notas Qlong en un único disparo) Ensayos superfluos si se dimensiona según AEA 92305-3 T < 2 ms 200 150 100 Qlong [C] 10 000 5600 2500 (para I y W / R en un solo impulso) Dimensionamiento determinado por los aspectos mecánicos y químicos (corrosión, etc.) T <1 s (aplicando I II III-IV 200 150 100 Nivel de protección contra la descarga I [kA] Qshort [C ] W /R [kJ / Ω] di / dt [kA / μs ] I II 200 150 100 100 75 10 000 5600 2500 I, Qshort y W / R en 200 150 un solo impulso Qlong en un único disparo) Para ASOCIACIÓN ELECTROTÉCNICA ARGENTINA INSTALACIONES DE PROTECCIÓN CONTRA LAS DESCARGAS ATMOSFÉRICAS III-IV 50 AEA 92305-1 © Edición 2006 Página 51 100 (duración T < 2 ms); con Δi / Δt en impulso separado Efectos energéticos (sobrecargas) DPS incluyendo varistores Efectos dieléctricos (cebados y explosiones) D.3 Nivel de protección contra la descarga I II III-IV Qshort [C ] Los dos aspectos deben ser controlados 100 75 50 Nivel de protección contra la descarga I [kA] I II III-IV 200 150 100 T < 2 ms (aplicar I en un solo impulso) Los ensayos pueden efectuarse por separado Reparto de corriente Los parámetros dados en la Tabla D.3 son relativos a la corriente de rayo en el punto de impacto. De hecho, la corriente fluye a tierra a través de más de un camino, como varios conductores de bajada y conductores naturales están presentes normalmente en un sistema externo de protección contra el rayo. Además, diferentes servicios normalmente entran a la estructura protegida (caños de gas y agua, líneas de potencia y de telecomunicaciones, etc.). Para la determinación de los parámetros de la corriente real que fluye en los componentes específicos de un sistema de protección contra el rayo, se debe tomar en cuenta la parte repartida de la corriente. Preferentemente, se debe evaluar la forma de onda y la amplitud de corriente a través de un componente en un punto específico de un sistema de protección contra el rayo. Cuando no es posible una evaluación individual, los parámetros de la corriente pueden ser estimados por medio de los siguientes procedimientos. Para la evaluación del reparto de corrientes dentro de un sistema externo de protección contra el rayo, puede ser adoptado el factor de configuración kc (ver Anexo C de AEA 92305-3). Este factor provee una estimación de la parte de la corriente de rayo que fluye por los conductores de bajada de los sistemas externos de protección contra las descargas bajo las condiciones más desfavorables. Para la evaluación de la parte de la corriente en presencia de elementos conductivos externos y líneas de potencia y de telecomunicaciones conectadas a la estructura protegida, se puede pueden adoptar los valores aproximados de ke y k ' e considerados en el Anexo E. La aproximación descripta anteriormente es aplicable para la evaluación del valor pico de la corriente que circula en un camino particular a tierra. El cálculo de otros parámetros de la corriente se realiza como se indica a continuación: I p = kI (D.1) QP = kQ (D.2) ASOCIACIÓN ELECTROTÉCNICA ARGENTINA INSTALACIONES DE PROTECCIÓN CONTRA LAS DESCARGAS ATMOSFÉRICAS (W / R) p = k 2 (W / R) ⎛ di ⎞ ⎛ di ⎞ ⎜ ⎟ =k ⎜ ⎟ ⎝ dt ⎠ p ⎝ dt ⎠ AEA 92305-1 © Edición 2006 Página 52 (D.3) (D.4) donde xp es el valor de la cantidad considerada (corriente pico I p , carga Q p , energía específica (W / R ) p , pendiente de la corriente (di / dt ) p ) aplicable a un camino particular a tierra " p" ; x k D.4 D.4.1 es el valor de la cantidad considerada (corriente pico I , carga Q , energía específica (W / R) , pendiente de la corriente (di / dt ) aplicable a la corriente de descarga total; es el factor de la corriente compartida: kc es el factor de la corriente compartida para sistemas externos de protección contra el rayo (ver Anexo C de AEA 92305-3); ' ke , k e son los factores de la corriente compartida en presencia de partes conductivas externas y líneas de potencia y de telecomunicaciones entrando a la estructura protegida (ver Anexo E). Efectos de la corriente de rayo causante de posibles daños Efectos térmicos Los efectos térmicos relacionados con la corriente de descarga están referidos al calentamiento resistivo causado mediante la circulación de una corriente eléctrica que fluye a través de la resistencia de un conductor o dentro de un sistema de protección contra el rayo. Los efectos térmicos también se refieren al calentamiento generado en la raíz de los arcos en los puntos de conexión o en todas las partes aisladas de un sistema de protección contra el rayo involucrado en el desarrollo del arco (ej. explosores). D.4.1.1 Calentamiento resistivo El calentamiento resistivo toma lugar en cualquier componente de un sistema de protección contra el rayo, transportando una parte significativa de la corriente de descarga. El área de sección mínima de los conductores debe ser suficiente para prevenir el sobrecalentamiento de los conductores a un nivel que podría presentar un incendio peligroso para los alrededores. A pesar de los aspectos térmicos considerados en D.4.1, el criterio del esfuerzo mecánico y la durabilidad debe ser considerado para partes expuestas a condiciones atmosféricas y/o corrosión. A veces es necesaria la evaluación del calentamiento del conductor debido a la circulación de la corriente de descarga cuando pueden surgir problemas debido al riesgo de lesión personal y de fuego o explosión. Más adelante se brinda una guía para evaluar la elevación de temperatura de los conductores sujetos a la circulación de la corriente de rayo. Una aproximación analítica se presenta a continuación: La potencia instantánea disipada como calor en un conductor debido a una corriente eléctrica se expresa como: ASOCIACIÓN ELECTROTÉCNICA ARGENTINA INSTALACIONES DE PROTECCIÓN CONTRA LAS DESCARGAS ATMOSFÉRICAS P (t ) = i 2 R AEA 92305-1 © Edición 2006 Página 53 (D.5) La energía térmica generada por el pulso de descarga completo es por lo tanto la resistencia óhmica del camino de la descarga de los componentes del sistema de protección contra el rayo considerado, multiplicada por la energía específica del pulso. Esta energía es expresada en unidad Joule [J ] o Watt segundo [W s] . W = R ⋅ ∫ i 2 ⋅ dt (D.6) En una descarga de rayo, las fases más elevadas de la energía específica son de duración demasiado corta como para producir un calentamiento significativo de la estructura. El fenómeno se considera adiabático. Se puede evaluar la temperatura de los conductores de un sistema de protección contra el rayo como se indica a continuación: W ⎤ ⎡ ⋅α ⋅ ρ 0 ⎥ ⎢ 1 θ − θ 0 = ⎢exp R2 −1⎥ α⎢ q ⋅ γ ⋅ CW ⎥ ⎦ ⎣ (D.7) donde θ −θ 0 α W /R ρ0 q γ CW θS elevación de la temperatura de los conductores [K ] ; coeficiente de temperatura de la resistencia [1 / K ] ; energía específica del impulso de corriente [J / Ω] ; resistencia óhmica específica del conductor a temperatura ambiente [Ωm] ; área de sección del conductor [m 2 ] ; densidad del material [kg / m 3 ] ; capacidad térmica [J / kgK ] ; temperatura de fusión [°C] . Los valores característicos de los parámetros físicos dados en la ecuación (D.7), para diferentes materiales utilizados en los sistemas de protección contra el rayo, están indicados en la Tabla D.2. La Tabla D.3 indica, como un ejemplo de aplicación de esta ecuación, la elevación de la temperatura de los conductores hechos de diferentes materiales, como una función de W / R y el área de sección del conductor. El impacto típico de la descarga se caracteriza por un impacto de corta duración (tiempo de cola de unas pocas centésimas de μs ) y una corriente pico elevada. Bajo estas circunstancias, también debe tomarse en consideración el efecto pelicular. Sin embargo, en la mayoría de los casos prácticos relacionados a los componentes del sistema de protección contra el rayo, las características del material (permeabilidad magnética dinámica de los conductores del sistema de protección contra el rayo) y las configuraciones geométricas (área de sección de los conductores del sistema de protección contra el ASOCIACIÓN ELECTROTÉCNICA ARGENTINA AEA 92305-1 © Edición 2006 Página 54 INSTALACIONES DE PROTECCIÓN CONTRA LAS DESCARGAS ATMOSFÉRICAS rayo) reducen la contribución del efecto pelicular en la elevación de temperatura del conductor a niveles despreciables. La componente del rayo más relevante a este mecanismo de calentamiento es el primer retorno del impacto. Tabla D.2 – Características físicas de los materiales típicos utilizados en los componentes de los sistemas de protección contra las descargas Material Magnitud Aluminio ρ 0 [Ωm] α [1 / K ] γ [kg / m3 ] θ s [°C] * -9 -3 Acero suave Cobre -9 Acero inoxidable * 120 x 10 -9 17,8 x 10 0,7 x 10-6 4,0 x 10 6,5 x 10-3 3,92 x 10-3 0,8 x 10-3 2700 7700 8920 8 x 103 2,9 x 10 658 1530 3 1080 3 1500 3 Cs [J / kg ] 397 x 10 272 x 10 209 x 10 -- CW [J / kgK ] 908 469 385 500 Austenítico no magnético. Tabla D.3 – Elevación de la temperatura de los conductores de diferentes secciones como una función de W / R Sección transversal [mm 2 ] Material Aluminio W / R [MJ / Ω] 2,5 5,6 4 --10 564 -16 146 454 25 52 132 50 12 28 100 3 7 * Austenítico no magnético. 10 ---283 52 12 Acero suave W / R [MJ / Ω] 2,5 --1120 211 37 9 5,6 ---913 96 20 10 ----211 37 Cobre W / R [MJ / Ω] 2,5 -169 56 22 5 1 5,6 -542 143 51 12 3 10 --309 98 22 5 Acero inoxidable * W / R [MJ / Ω] 2,5 ---940 190 45 5,6 ----460 100 10 ----940 190 D.4.1.2 Daños térmicos en el punto de impacto Los daños térmicos en el punto de impacto se pueden observar en todas las componentes de un sistema de protección contra el rayo en el cual toma lugar el desarrollo de un arco, ej. elementos captores, explosores, etc. La fusión y la erosión del material pueden ocurrir en el punto de impacto. De hecho, en el área de raíz del arco hay una entrada térmica importante proveniente de la raíz del arco en sí mismo, así como una concentración del calentamiento óhmico debido a las altas densidades de corriente. La mayor parte de la energía térmica es generada en o muy cerca de la superficie del metal. El calor generado en el área inmediata de la raíz está en el exceso, el cual puede ser absorbido dentro del metal por la conducción y el exceso se irradia o se pierde en fusión o vaporización del metal. La severidad del proceso está relacionada a la amplitud y la duración de la corriente. D.4.1.2.1 Generalidades ASOCIACIÓN ELECTROTÉCNICA ARGENTINA AEA 92305-1 © Edición 2006 Página 55 INSTALACIONES DE PROTECCIÓN CONTRA LAS DESCARGAS ATMOSFÉRICAS Varios modelos teóricos han sido desarrollados para el cálculo de los efectos térmicos en las superficies metálicas en el punto de impacto de un canal de corriente. Por razones de simplicidad, este documento informará sólo el modelo de la caída de tensión ánodo-o-cátodo. La aplicación de este modelo es particularmente efectiva para películas de metal delgadas. En todos los casos, esto da resultados conservadores como se postula que toda la energía inyectada en el punto de impacto del rayo es utilizada para fundir o vaporizar el material conductor, despreciando la difusión de calor dentro del metal. Otros modelos introducen la dependencia del daño del punto de impacto del rayo en la duración del impulso de corriente. D.4.1.2.2 Modelo de la caída de tensión ánodo-o-cátodo La energía de entrada W en la raíz del arco se presume como dada por la caída de tensión ánodo/cátodo ua , c multiplicada por la carga Q de la corriente de rayo: W = ∫ ua , c idt = ua , c ∫ idt = ua , c ⋅ Q (D.8) Como ua , c es bastante constante en el rango de corriente considerado, la carga de la corriente de rayo (Q) es esencialmente la causa de la conversión de energía en la raíz del arco. La caída de tensión ánodo-o-cátodo ua , c tiene un valor de unas pocas decenas de volts. Una aproximación simplificada asume que toda la energía desarrollada en la raíz del arco es utilizada para la fusión. La ecuación (D.9) utiliza esta suposición pero conduce a un volumen sobreestimado de fusión V= ua , c Q γ ⋅ 1 CW (θ S − θ u ) + cS (D.9) donde V es el volumen del metal fundido [m 3 ] ; ua , c es la caída de tensión ánodo-o-cátodo (supuesta como constante) [V] ; Q es la carga de la corriente de descarga [C] ; γ es la densidad del material [kg / m 3 ] ; CW es la capacidad térmica [J / kgK ] ; θ S es la temperatura de fusión [°C] ; θu es la temperatura ambiente [°C] ; CS es el calor específico de fusión [J / kg ] . En la Tabla D.2 se indican los valores característicos de los parámetros físicos citados en esta ecuación, para diferentes materiales utilizados en un sistema de protección contra el rayo. Básicamente, la carga a considerar es la suma de la carga del impacto de retorno y la corriente de descarga subsiguiente. La experiencia en laboratorio revela que los efectos de la carga del impacto de ASOCIACIÓN ELECTROTÉCNICA ARGENTINA AEA 92305-1 © Edición 2006 Página 56 INSTALACIONES DE PROTECCIÓN CONTRA LAS DESCARGAS ATMOSFÉRICAS retorno son de menor importancia cuando se los compara con los efectos de la corriente de descarga subsiguiente. D.4.2 Efectos mecánicos Los efectos mecánicos causados por la corriente de rayo dependen de la amplitud y la duración de la corriente, así también como de las características elásticas de la estructura mecánica afectada. Los efectos mecánicos también dependen de las fuerzas de fricción que aparecen entre las partes, eventualmente en contacto, con un sistema de protección contra rayos. D.4.2.1 Interacción magnética Aparecen fuerzas magnéticas entre dos conductores independientes recorridos por una corriente, o cuando habiendo un solo conductor, éste forma un ángulo recto o un lazo. Cuando una corriente circula a través de un circuito, la amplitud de las fuerzas electrodinámicas desarrolladas en varias posiciones del circuito, depende de la amplitud de la corriente de rayo y la configuración geométrica del circuito. El efecto mecánico de estas fuerzas, sin embargo, depende no sólo de su amplitud, también de la forma general de la corriente, duración, así también en la configuración geométrica de la instalación. D.4.2.1.1 Fuerzas electrodinámicas Las fuerzas electrodinámicas desarrolladas por una corriente i , circulando dentro de un conductor teniendo largas secciones paralelas de longitud l y distancia d (lazo largo y corto), como se muestra en la Figura D.1, pueden ser calculadas aproximadamente utilizando la siguiente ecuación: F (t ) = μO 2 l l i (t ) = 2 ⋅10 −7 i 2 (t ) 2π d d (D.10) donde F (t ) es la fuerza electrodinámica [ N] ; i es la corriente [A] ; μO es la permeabilidad magnética del espacio libre (vacío) [4π 10 −7 H / m] ; l d es la longitud de los conductores [m] ; es la distancia entre las secciones paralelas rectas del conductor [m] . ASOCIACIÓN ELECTROTÉCNICA ARGENTINA INSTALACIONES DE PROTECCIÓN CONTRA LAS DESCARGAS ATMOSFÉRICAS AEA 92305-1 © Edición 2006 Página 57 l i d i -i o IEC 2078/05 Figura D.1 – Disposición general de dos conductores para el cálculo de las fuerzas electrodinámicas l Un ejemplo típico de un sistema de protección contra el rayo se da mediante una disposición simétrica en forma de esquina de los conductores, formando un ángulo de 90°, con una abrazadera posicionada cerca de la esquina como se muestra en la Figura D.2. El diagrama del esfuerzo para esta configuración se muestra en la Figura D.3. La fuerza axial en el conductor horizontal tiende a empujar el conductor fuera de la abrazadera. El valor numérico de la fuerza a lo largo del conductor horizontal, considerando un valor pico de corriente de 100 kA y una longitud de un conductor vertical de 0,5 m , se muestra en la Figura D.4. a l IEC 2079/05 Figura D.2 – Disposición típica del conductor en un sistema de protección contra las descargas ASOCIACIÓN ELECTROTÉCNICA ARGENTINA AEA 92305-1 © Edición 2006 Página 58 INSTALACIONES DE PROTECCIÓN CONTRA LAS DESCARGAS ATMOSFÉRICAS F F IEC 2080/05 Figura D.3 – Diagrama del esfuerzo para la configuración de la Figura D.2 80 70 F kN/m 60 50 40 30 20 10 0 0,1 0,2 0,3 l Nota: Valor de la corriente pico de 100 kA 0,4 m y longitud del conductor 0,5 0,5 IEC 2081/05 m. 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 las fuerzas electrodinámicas En términos de amplitud de la fuerza aplicada, los valores instantáneos de las fuerzas electrodinámicas F (t ) son proporcionales al cuadrado de la corriente instantánea I (t ) 2 . En términos del esfuerzo desarrollado dentro de una estructura mecánica de un sistema de protección contra las descargas, expresado por el producto de la deformación elástica δ (t ) y la constante elástica k de la estructura de un sistema de protección contra el rayo, se deben considerar dos efectos. La frecuencia mecánica natural (relacionado con el comportamiento elástico de la estructura del sistema de protección contra las descargas) y la deformación permanente de la estructura del sistema de protección contra las descargas (relacionado con su comportamiento plástico) son los parámetros más importantes. Por otra parte, en muchos casos el efecto de las fuerzas de fricción dentro de la estructura es también de significativa importancia. ASOCIACIÓN ELECTROTÉCNICA ARGENTINA INSTALACIONES DE PROTECCIÓN CONTRA LAS DESCARGAS ATMOSFÉRICAS AEA 92305-1 © Edición 2006 Página 59 La amplitud de las vibraciones de una estructura elástica del sistema de protección contra el rayo, causada por una fuerza electrodinámica desarrollada por la corriente de descarga, puede ser evaluada mediante ecuaciones diferenciales de segundo orden; el factor clave es la relación entre la duración del impulso de corriente y el período de oscilación mecánica natural de la estructura del sistema de protección contra las descargas. La condición típica encontrada en las aplicaciones del sistema de protección contra el rayo consiste en períodos de oscilación natural de la estructura mucho mayores que el de la fuerza aplicada (duración del impulso de la corriente de descarga). En este caso el máximo esfuerzo mecánico ocurre después del cese del impulso de corriente y tiene un valor pico que permanece inferior al de la fuerza aplicada. En muchos casos, se puede despreciar el máximo esfuerzo mecánico. La deformación plástica ocurre cuando el esfuerzo extensible excede el límite elástico del material. Si el material que compone la estructura del sistema de protección contra las descargas es suave, por ejemplo aluminio o cobre recocido, las fuerzas electrodinámicas pueden deformar los conductores en esquinas y lazos. Los componentes del sistema de protección contra las descargas deberían por lo tanto ser diseñados para soportar estas fuerzas y para mostrar esencialmente un comportamiento elástico. El esfuerzo mecánico total aplicado a la estructura del sistema de protección contra las descargas depende de la integral en el tiempo de la fuerza aplicada y por lo tanto de la energía específica asociada con el impulso de corriente. Esto también depende de la forma de onda del impulso de corriente y de su duración (comparado con el período de oscilación natural de la estructura). Todos estos parámetros influyentes por lo tanto deben ser tomados en cuenta durante el ensayo. D.4.2.2 Daño debidos a la onda de choque acústica Cuando una corriente de descarga circula en un arco, se produce una onda de choque. La severidad del choque es en función del valor pico de la corriente y de la elevación de la corriente. En general, el daño debido a la onda de choque acústica es insignificante en las partes metálicas del sistema de protección contra las descargas, pero puede causar daño a los componentes de alrededor. D.4.2.3 Efectos combinados En la práctica, los efectos térmicos y mecánicos ocurren simultáneamente. Si el calentamiento del material de los componentes (barras, abrazaderas, etc.) es suficiente para ablandar el material, un daño mayor puede ocurrir. En casos extremos, el conductor puede fundirse y explotar y causar considerables daños a la estructura alrededor. Si la sección del metal es suficiente para maniobrar seguramente, solo necesita chequearse la integridad mecánica. D.4.3 Chispas En general, las chispas se vuelven importantes sólo en entornos inflamables: en la mayoría de los casos prácticos, las chispas no son importantes para los componentes de los sistemas de protección contra el rayo. Pueden ocurrir dos tipos diferentes de chispas, por ejemplo, chispas térmicas y chispas de tensión. La chispa térmica ocurre cuando una corriente muy elevada es forzada a cruzar una junta entre dos materiales conductores. La mayoría de las chispas térmicas ocurren cerca de los bordes dentro de una junta si la presión de interfase es demasiado baja; debido primeramente a la alta densidad de corriente y presión de interfase inadecuada. La intensidad de la chispa térmica está relacionada con la energía específica y por lo tanto, la fase más crítica de la descarga es el primer impacto de retorno. La chispa de tensión ocurre cuando la corriente es forzada a tomar caminos de contorno, por ejemplo, dentro de una ASOCIACIÓN ELECTROTÉCNICA ARGENTINA INSTALACIONES DE PROTECCIÓN CONTRA LAS DESCARGAS ATMOSFÉRICAS AEA 92305-1 © Edición 2006 Página 60 junta, si la tensión inducida en cierto lazo excede la tensión disruptiva entre las partes metálicas. La tensión inducida es proporcional a la inductancia propia multiplicada por la pendiente de la corriente de rayo. El mayor componente crítico de descarga para la chispa de tensión es por lo tanto el impacto consecutivo negativo. D.5 Componentes del sistema de protección contra el rayo, problemas referentes y parámetros de ensayo Los sistemas de protección contra las descargas están hechos de varios componentes diferentes, cada uno tiene una función específica dentro del sistema. La naturaleza de los componentes y el esfuerzo específico al cual están sujetos, requiere consideraciones especiales en la elaboración de ensayos en laboratorio para comprobar su comportamiento. D.5.1 Elemento captor Los efectos de los esfuerzos sobre los elementos captores están relacionados a los efectos mecánicos y térmicos (como se examina en D.5.2, pero se observa que una alta proporción de la corriente de descarga circulará en el conductor del elemento captor -el cual es impactado-) y también en algunos casos efectos de erosión por arco, particularmente en los componentes naturales del sistema de protección contra las descargas tales como las coberturas finas de metal (donde puede ocurrir perforaciones o excesivas elevaciones de temperatura) y en conductores suspendidos. Para los efectos de erosión por arco, se deben considerar dos parámetros principales de ensayo: ej. la carga de la corriente de larga duración y su duración. La carga define la entrega de energía en la raíz del arco. En particular, los impactos de larga duración parecen ser los más severos para este efecto, mientras que los impactos de corta duración se pueden despreciar. La duración de la corriente tiene un rol importante en el fenómeno de transferencia de calor dentro del material. La duración de la corriente aplicada durante los ensayos debería ser comparable a esos de los impactos de larga duración (0,5 s a 1 s ). D.5.2 Conductores de bajada Los efectos en los conductores de bajada causados por la descarga se pueden dividir en dos grandes categorías: - efectos térmicos debido al calentamiento resistivo; efectos mecánicos relacionados con la interacción magnética, donde la corriente de descarga es compartida por conductores ubicados en la cercanía de otro o cuando la corriente cambia de dirección (curvas o conexiones entre conductores con un ángulo dado uno con respecto del otro). En muchos casos estos dos efectos actúan independientemente uno del otro y en los ensayos separados en laboratorio se puede verificar cada efecto. Esta aproximación se puede adoptar en todos los casos en los cuales el calentamiento desarrollado por la corriente de descarga que circula no modifica sustancialmente las características mecánicas. D.5.2.1 Calentamiento resistivo ASOCIACIÓN ELECTROTÉCNICA ARGENTINA INSTALACIONES DE PROTECCIÓN CONTRA LAS DESCARGAS ATMOSFÉRICAS AEA 92305-1 © Edición 2006 Página 61 Los cálculos y las mediciones relativos al calentamiento de los conductores de diferentes secciones y materiales, debido a la corriente de descarga que circula a lo largo de un conductor, han sido publicados por varios autores. Los resultados principales en términos de diagramas y fórmulas son indicados en D.4.1.1. Por lo tanto no son necesarios ensayos en laboratorio, en general para comprobar el comportamiento de un conductor con respecto a la elevación de la temperatura. En todos los casos por los cuales se requiere un ensayo en laboratorio, se deben tener en cuenta las siguientes consideraciones. Los parámetros de ensayo principales a considerar en este caso son la energía específica y la duración del impulso de corriente. La energía específica define la elevación de la temperatura debido al calentamiento Joule causado por la circulación de la corriente de descarga. Los valores numéricos a considerar son aquellos referidos al primer impacto. Los datos conservativos son obtenidos considerando los impactos positivos. La duración del impulso de corriente tiene una influencia decisiva en el proceso de intercambio de calor con respecto a las condiciones ambientales en los alrededores del conductor considerado. En la mayoría de los casos la duración del impulso de corriente es tan corto, que el proceso de calentamiento se puede considerar adiabático. D.5.2.2 Efectos mecánicos Como se examinó en D.4.2.1, las interacciones mecánicas se desarrollan entre conductores que trasportan corriente de descarga. La fuerza es proporcional al producto de las corrientes circulando en los conductores (o al cuadrado de la corriente si se considera una simple curva del conductor) y está relacionado a la inversa de la distancia entre conductores. La situación típica por la cual un efecto visible puede ocurrir es cuando un conductor forma un lazo o un ángulo. Cuando tal conductor transporta la corriente de descarga, estará sujeto a una fuerza mecánica la cual tratará de extender el lazo o enderezar el ángulo y doblarlo hacia afuera. La magnitud de esta fuerza es proporcional al cuadrado de la amplitud de corriente. Debe hacerse una clara distinción, sin embargo, entre la fuerza electrodinámica, la cual es proporcional al cuadrado de la amplitud de corriente, y el esfuerzo correspondiente depende de las características elásticas de la estructura mecánica del sistema de protección contra el rayo. Para estructuras de sistemas de protección contra las descargas de relativas frecuencias naturales bajas, el esfuerzo desarrollado dentro de la estructura del sistema de protección contra el rayo será considerablemente menor que la fuerza electrodinámica. Es este caso, no se necesitan ensayos de laboratorio para comprobar el comportamiento mecánico de un conductor doblado en ángulo recto, si las secciones prescriptas en el presente documento son satisfechas. En todos los casos para los cuales se requiere un ensayo de laboratorio (especialmente para materiales suaves), se deben tener en cuentas las siguientes consideraciones. Se consideran tres parámetros del primer impacto de retorno: la duración, la energía específica del impulso de corriente y, en el caso de sistemas rígidos, la amplitud de corriente. La duración del impulso de corriente, comparado con el período de oscilación mecánica natural de la estructura del sistema de protección contra las descargas, predomina el tipo de respuesta mecánica del sistema en términos de desplazamiento: - si la duración del impulso es mucho menor que el período de oscilación natural de la estructura del sistema de protección contra el rayo (caso normal para esfuerzos en las estructuras del ASOCIACIÓN ELECTROTÉCNICA ARGENTINA - INSTALACIONES DE PROTECCIÓN CONTRA LAS DESCARGAS ATMOSFÉRICAS AEA 92305-1 © Edición 2006 Página 62 sistema de protección contra el rayo por impulsos de descarga), la masa y elasticidad lo previenen de ser desplazado apreciablemente y el esfuerzo mecánico relevante está esencialmente relacionado a la energía específica del impulso de 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 oscilación mecánica natural de la estructura, el desplazamiento del sistema es más sensitivo a la forma de onda del esfuerzo aplicado. En este caso, el valor pico del impulso de corriente y la energía específica necesitan ser reproducidos durante el ensayo. La energía específica del impulso de corriente define el esfuerzo causando deformaciones elásticas y plásticas de la estructura del sistema de protección contra el rayo. Los valores numéricos a considerar son aquellos referidos al primer impacto. Los valores máximos del impulso de corriente definen la longitud del máximo desplazamiento de la estructura del sistema de protección contra las descargas, en el caso de sistemas rígidos, que tienen altas frecuencias de oscilación natural. Los valores numéricos a considerar son aquellos referidos al primer impacto. D.5.3 Componentes de conexión Los componentes de conexión entre conductores adyacentes de un sistema de protección contra las descargas, son puntos posibles de debilidades mecánicas y térmicas donde ocurren esfuerzos muy altos. En el caso de un conductor situado de manera tal de hacer que el conductor siga un ángulo recto, los efectos principales de los esfuerzos están relacionados con las fuerzas mecánicas, las cuales tienden a enderezar el juego de conductores y las fuerzas de fricción resistentes entre la componente de conexión y los conductores tirando la conexión apartada. Es posible el desarrollo de los arcos en los puntos de contacto de las diferentes partes. Por otra parte, el efecto térmico causado por la concentración de corriente sobre pequeñas superficies de contacto tiene un efecto notable. Los ensayos en laboratorio han mostrado que es difícil separar cada efecto uno del otro porque una compleja sinergia toma lugar. El esfuerzo mecánico es afectado por fusión local en el área de contacto. Los desplazamientos relativos entre partes de los componentes de conexión promueve el desarrollo de arcos y consecuentemente la generación intensa de calor. En ausencia de un modelo válido, los ensayos en laboratorio deben ser conducidos de manera tal que representen tanto como sea posible los parámetros apropiados de la corriente de descarga en la situación más crítica: ej. los parámetros apropiados de la corriente de descarga deben ser aplicados por medio de un ensayo eléctrico único. Se deben considerar tres parámetros en este caso: el valor pico, la energía específica y la duración del impulso de corriente. Los valores máximos del impulso de corriente determinan la fuerza máxima, o, si y después de la fuerza de empuje electrodinámica excede la fuerza de fricción, la longitud del desplazamiento máximo de la estructura del sistema de protección contra el rayo. Los valores numéricos a considerar son aquellos referidos al primer impacto. Los datos conservativos son obtenidos teniendo en cuenta los impactos positivos. ASOCIACIÓN ELECTROTÉCNICA ARGENTINA INSTALACIONES DE PROTECCIÓN CONTRA LAS DESCARGAS ATMOSFÉRICAS AEA 92305-1 © Edición 2006 Página 63 La duración de impulso de corriente determina el desplazamiento máximo de la estructura después que las fuerzas de fricción excedan y tengan un rol importante en el fenómeno de transferencia de calor dentro del material. D.5.4 Sistema de puesta a tierra Los problemas reales con los electrodos finales de tierra están relacionados con la corrosión química y los daños mecánicos causados por fuerzas, con excepción de las fuerzas electrodinámicas. En los casos prácticos, la erosión de los electrodos de tierra en la raíz del arco es de menor importancia. Esto es, por lo tanto, considerando que, contrario a los elementos captores un sistema de protección contra las descargas típico tiene varios elementos finales de tierra. La corriente de descarga se dividirá entre varios electrodos de tierra, así causan menos efectos importantes en la raíz del arco. En este caso se consideran dos parámetros de ensayo principales: la carga y la duración del impulso de corriente de larga duración. La carga determina la energía de entrada a la raíz del arco. En particular, la contribución del primer impacto que puede ser despreciada desde los impactos de larga duración, parece ser el más severo para este componente. La duración del impulso de corriente tiene un rol importante en el fenómeno de transferencia de calor dentro del material. La duración de los impulsos de corriente aplicados durante los ensayos debe ser comparable a aquellos impactos de larga duración. (0,5 s a 1 s ). D.6 Dispositivos de Protección contra Sobretensiones (DPS) Los efectos del esfuerzo en un DPS causados por la descarga dependen del tipo de dispositivo considerado, con particular referencia a la presencia o ausencia de un explosor. D.6.1 DPS que contienen explosores Los efectos en los explosores causados por la descarga se pueden dividir en dos grandes categorías: - La erosión de los electrodos del explosor por calentamiento, fusión y vaporización del material; el esfuerzo mecánico causado por la onda de choque de la descarga Es extremamente difícil investigar estos efectos separadamente, porque ambos están relacionados con los principales parámetros de la corriente de descarga mediante complejas relaciones. Para explosores de chispas, los ensayos de laboratorio deben ser conducidos de manera tal que presenten tan cerca como sea posible los parámetros apropiados de la corriente de descarga debiendo aplicarse por medio de un esfuerzo eléctrico único. Cinco parámetros deben ser considerados en este caso: el valor mínimo, la carga, la duración, la energía específica y la relación de elevación del impulso de corriente. El valor de la corriente pico determina la severidad de la forma de onda. Los valores numéricos a considerar son aquellos referidos al primer impacto. Los datos conservativos son obtenidos considerando los impactos positivos. La carga determina la energía de entrada en el arco. La energía en el arco calentará, fundirá y posiblemente vaporizará parte del material electrodo en el punto de contacto del arco. Los valores numé- ASOCIACIÓN ELECTROTÉCNICA ARGENTINA INSTALACIONES DE PROTECCIÓN CONTRA LAS DESCARGAS ATMOSFÉRICAS AEA 92305-1 © Edición 2006 Página 64 ricos a considerar son aquellos referidos al rayo de descarga entero. Por lo tanto, la carga de la corriente de larga duración puede ser despreciada en varios casos, dependiendo de la configuración del sistema de alimentación (TN, TT o IT). La duración del impulso de corriente determina el fenómeno de transferencia de calor dentro de la masa del electrodo y la propagación resultante del frente de fusión. La energía específica del impulso de corriente determina la compresión automagnética del arco y la física de los chorros de plasma desarrollados en la interfase entre la superficie del electrodo y el arco (el cual puede extraer una carga significante de material fundido). Los valores numéricos a considerar son aquellos referidos al primer impacto. Los datos conservativos se obtienen considerando los impactos positivos. Nota: Para explosores utilizados en sistemas de alimentación, la frecuencia eventual de la corriente subsiguiente constituye un importante factor de esfuerzo, el cual debe ser tomado en cuenta. D.6.2 DPS conteniendo varistores de óxido metálico El esfuerzo en los varistores de óxido metálico causado por la descarga se pueden dividir en dos grandes categorías: sobrecarga y descarga disruptiva. Cada categoría se caracteriza por los modos de falla generados por diferentes fenómenos y determinado por diferentes parámetros. La falla en un DPS de óxido metálico está relacionada con sus características más débiles y por lo tanto es inverosímil que la sinergia entre los diferentes esfuerzos fatales pueda ocurrir. Aparece entonces, como aceptable, llevar a cabo los ensayos separados para comprobar el comportamiento bajo el modo de condición de cada falla. Las sobrecargas son causadas por una cantidad de energía absorbida que excede las capacidades del dispositivo. La energía excesiva considerada acá está relacionada al esfuerzo de la corriente en sí mismo. Sin embargo, para DPS instalados en sistemas de alimentación, la corriente subsiguiente inyectada en el dispositivo por la fuente de potencia, inmediatamente después del cese de la corriente de descarga que circula, puede jugar también un rol importante en la destrucción del dispositivo. Finalmente, un DPS puede ser dañado definitivamente por la inestabilidad térmica bajo la tensión aplicada, relacionado al coeficiente de temperatura negativo de las características volt-amper de los resistores. Para la simulación de sobrecargas de varistores metal-óxido, se debe considerar un parámetro principal: la carga. La carga determina la energía de entrada al bloque de resistores de metal-óxido, considerando como una constante la tensión residual del bloque de resistores de metal-óxido. Los valores numéricos a considerar son aquellos relativos al rayo de la descarga. Las descargas disruptivas y la destrucción son causadas por la amplitud de los impulsos de corriente que exceden las capacidades de los resistores. El modo de falla es generalmente una prueba de la descarga disruptiva a lo largo del cuello, a veces entrando dentro del bloque resistor causando una rotura o un agujero perpendicular al cuello. La falla está principalmente relacionada con un colapso dieléctrico del cuello del bloque resistor. Para la simulación de este fenómeno de descarga, se deben considerar dos parámetros: el valor máximo y la duración del impulso de corriente. El valor máximo del impulso de corriente determina, a través del nivel correspondiente de tensión residual, si el esfuerzo dieléctrico máximo en el cuello del resistor es excedido. Los valores numéricos a considerar son aquellos referidos al primer impacto. Los datos conservativos son obtenidos considerando los impactos positivos. ASOCIACIÓN ELECTROTÉCNICA ARGENTINA INSTALACIONES DE PROTECCIÓN CONTRA LAS DESCARGAS ATMOSFÉRICAS AEA 92305-1 © Edición 2006 Página 65 La duración del impulso de corriente determina la duración de la aplicación del esfuerzo dieléctrico en el cuello del resistor. D.7 Síntesis de los parámetros de ensayo, a ser adoptados en ensayos de los componentes del sistema de protección contra el rayo La Tabla D.1 sintetiza los aspectos más críticos de cada componente del sistema de protección contra las descargas, durante el comportamiento de su función y da los parámetros de la corriente de descarga para reproducir en los ensayos de laboratorio. Los valores numéricos dados en la Tabla D.1 están referidos a los parámetros de la descarga de importancia en el punto de impacto. Los valores de ensayo serán calculados considerando el reparto de corriente el cual se puede expresar mediante el factor de reparto de corriente, como se expresa en la cláusula D.3. ASOCIACIÓN ELECTROTÉCNICA ARGENTINA INSTALACIONES DE PROTECCIÓN CONTRA LAS DESCARGAS ATMOSFÉRICAS AEA 92305-1 © Edición 2006 Página 66 Anexo E (Informativo) Ondas de choque debidas al rayo en diferentes puntos de la instalación Descripción Para el dimensionamiento de los conductores, DPS y aparatos, se debe determinar la amenaza debido a las ondas de choque en un punto particular de la instalación de estos componentes. Las ondas de choque pueden surgir de las corrientes de descargas (parciales) y de los efectos de inducción dentro de los lazos de la instalación. La amenaza debido a estas ondas de choque deben ser menores que los niveles tolerables de los componentes utilizados (definido mediante ensayos adecuados como sea necesario). E.1 Ondas de choque debidas a los rayos a la estructura (fuente de daño S1) E.1.1 Ondas de choque circulando a través de partes conductoras externas y líneas conectadas a la estructura Cuando se conduce a tierra, la corriente de descarga es dividida entre el sistema de puesta a tierra, las partes conductoras externas y las líneas, directamente o vía DPS conectados a ellos. Si I f = ke I (E.1) es la parte de la corriente de descarga relacionada a cada parte conductora externa o línea, entonces ke depende de: - el número de caminos en paralelo; su impedancia convencional a tierra para partes enterradas, o su resistencia de tierra, para las partes aéreas conectadas a las enterradas y para partes aéreas solamente; la impedancia convencional de tierra del sistema de puesta a tierra. - * para instalaciones enterradas ke = * para instalaciones aéreas ke = Z ⎛ Z ⎞ Z1 + Z ⎜⎜ n1 + n2 1 ⎟⎟ Z2 ⎠ ⎝ Z ⎛ Z ⎞ Z 2 + Z ⎜⎜ n2 + n1 2 ⎟⎟ Z1 ⎠ ⎝ (E.2) (E.3) donde Z es la impedancia convencional a tierra del sistema de puesta a tierra; Z1 es la impedancia convencional a tierra de las partes externas o líneas (Tabla E.1) yendo subterráneamente; Z 2 es la resistencia convencional de tierra de los elementos conductores aéreos. Si se conoce la resistencia a tierra del punto a tierra, puede ser utilizado el valor de Z1 que se muestra en la Tabla E.1 (cuando la resistividad está relacionada al punto de tierra). ASOCIACIÓN ELECTROTÉCNICA ARGENTINA INSTALACIONES DE PROTECCIÓN CONTRA LAS DESCARGAS ATMOSFÉRICAS AEA 92305-1 © Edición 2006 Página 67 Nota: Este valor se adopta en la fórmula de arriba a ser igual en cada punto. Si éste no es el caso, se necesitan utilizar ecuaciones más complejas. n1 n2 I es el número total de partes externas o líneas enterradas; es el número total de partes externas o líneas aéreas; es la corriente de descarga correspondiente a la clase del sistema de protección contra el rayo elegida. Suponiendo como primera aproximación que una mitad de la corriente de descarga circula en el sistema de puesta a tierra y que Z 2 = Z1 , el valor de ke puede ser evaluado para una parte conductora externa o línea mediante: ke = 0,5 / (n1 + n2 ) (E.4) Si las líneas entrantes (ej. líneas eléctricas y de telecomunicación) están sin blindaje o no encamisadas con conductores metálicos, cada uno de los conductores n ' de la línea transporta una parte de la corriente de descarga igual a: k ' e = ke / n ' (E.5) siendo n ' el número total de conductores. Para redes apantalladas, unidas a tierra en el punto de ingreso, los valores de corriente k ' e para cada conductor n ' de un servicio apantallado son dados por: ( ) k ' e = k e RS / n ' RS + RC (E.6) con RS RC resistencia óhmica por unidad de longitud de la pantalla; resistencia óhmica por unidad de longitud del conductor interno. Nota 3: Esta fórmula puede subestimar el rol de la pantalla en diversas corrientes de descarga debido a la inductancia mutua entre base y protector. ASOCIACIÓN ELECTROTÉCNICA ARGENTINA AEA 92305-1 © Edición 2006 Página 68 INSTALACIONES DE PROTECCIÓN CONTRA LAS DESCARGAS ATMOSFÉRICAS Tabla E.1 – Valores convencionales de impedancia a tierra Z y Z1 conforme a la resistividad del suelo ρ [Ωm] Z1 [Ω] Impedancia convencional a tierra referida a la clase del sistema de protección contra el rayo Z [Ω] I II III-IV ≤ 100 4 4 4 8 6 6 6 11 200 10 10 10 16 500 20 15 10 22 1000 40 15 10 28 2000 60 15 10 35 3000 Nota: Los valores dados en esta tabla se refieren a la impedancia convencional de tierra de un conductor enterrado bajo condición de impulso (10/350 μs ). E.1.2 Factores que influyen en el reparto de la corriente de descarga en sistemas de alimentación Para cálculos detallados varios factores pueden influir en la amplitud y la forma de onda de tales fuentes: • • la longitud del cable puede influir en las características de la parte y la forma de onda de la corriente debido a la relación L / R ; las diversas impedancias de los conductores neutro y fase pueden influir en la corriente repartida a lo largo de los conductores de línea; Nota:Por ejemplo, si el conductor neutro (N) tiene múltiples tierras, la impedancia más baja de L2 y L3 • • E.2 tura E.2.1 comparado con L1 , puede resultar en 50 % de la corriente que circula a través del conductor N con el resto del 50 % estando compartido por otras 3 líneas (17 % cada una). Si llevar aproximadamente el 25% de la corriente. • N N , L1 y L2 tienen la misma impedancia, cada conductor puede diferentes impedancias de los transformadores pueden influir en el reparto de la corriente (este efecto se desprecia si el transformador está protegido por un DPS que puentee esta impedancia); la relación entre las resistencias convencionales de tierra del transformador y los ítems en el lado de carga pueden influir en el reparto de la corriente (cuanto menor sea la impedancia del transformador, la mayor será la corriente que circula dentro del sistema de baja tensión); consumos paralelos causan una reducción de la impedancia efectiva del sistema de baja tensión, el cual puede incrementar la corriente parcial de descarga que circula dentro de este sistema Ondas de choque debidas a los impactos sobre los servicios conectados a la estruc- Ondas de choque debidas a los impactos sobre los servicios (fuente de daño S3) Para los impactos directos sobre los servicios conectados a la estructura, se debe tomar en cuenta el reparto de la corriente de descarga en ambas direcciones del servicio y la perforación de la aislación. ASOCIACIÓN ELECTROTÉCNICA ARGENTINA INSTALACIONES DE PROTECCIÓN CONTRA LAS DESCARGAS ATMOSFÉRICAS AEA 92305-1 © Edición 2006 Página 69 La elección del valor de I imp puede estar basado en los valores dados en la Tabla E.2, donde los valores preferentes de I imp están asociados con los niveles de protección de las descargas. Tabla E.2 – Sobrecorrientes esperadas debidas a ondas de choque por rayos Sistemas de baja tensión Rayo cercano Cercano o en a la estructura la estructura Fuente de daño S1 o S2 Fuente de Fuente de daño S4 (rayo (sólo corriente daño S3 (rayo inducida para indirecto) directo) S1) Forma de Forma de onda: Forma de onda: 8/20 μs onda: 10/350 μs 8/20 μs Rayo al servicio Niveles de protección contra las descargas III-IV I-II [kA] [kA] 5 10 2,5 5 [kA] 0,1 0,2 Líneas de telecomunicación Rayo al Rayo cercano Cercano o en servicio a la estructura la estructura Fuente de daño S3 (rayo directo) Forma de onda: 10/350 μs [kA] 1 2 Fuente de daño S4 (rayo indirecto) Fuente de daño S2 (corriente inducida) Medida: 5/300 μs Estimada: 8/20 μs Forma de onda: 8/20 μs [kA] [kA] 0,01 (0,05) 0,02 (0,1) 0,05 0,1 Para líneas protegidas, los valores de sobrecorrientes dados en la Tabla E.2 pueden ser reducidos mediante un factor de 0,5. Nota: Se supone que la resistencia de la pantalla es aproximadamente igual a la resistencia de todos los conductores en servicio en paralelo. E.2.2 Ondas de choque debidas a rayos cercanos al servicio (fuente de daño S4) Las ondas de choque de rayos cercanos a los servicios tienen energías inferiores que aquellas asociados con los rayos al servicio (fuente de daño S3). Las sobrecorrientes esperadas, asociadas con un nivel de protección contra las descargas específico (LPL) están dadas en la Tabla E.2. Para líneas apantalladas los valores de sobrecorrientes dados en la Tabla E.2 pueden ser reducidos mediante un factor de 0,5. E.3 Ondas de choque debidas a los efectos de inducción (fuente de daño S1 o S2) Ondas de choque debidas a los efectos de inducción de los campos magnéticos, generadas por impactos próximos (fuente S2) o desde una corriente de rayo que circula en el SPR externo o el blindaje espacial de LPZ 1 (fuente S1) tienen una forma de onda de corriente típica de 8 / 20 μs . Tales ondas de choque son consideradas cerca o en el terminal del aparato dentro de LPZ 1 y en el límite de LPZ 1/2. E.3.1 Ondas de choque dentro de un LPZ 1 no blindado Dentro de un LPZ 1 no blindado (ej. protegido solo por un SPR externo de acuerdo con AEA 92305-3 con apertura de malla mayor que 5 m) se esperan ondas de choque relativamente altas debido a los efectos de inducción del campo magnético no amortiguado. Las sobrecorrientes esperadas, asociadas con un nivel de protección contra las descargas específico (LPL) están dadas en la Tabla E.2. ASOCIACIÓN ELECTROTÉCNICA ARGENTINA E.3.2 INSTALACIONES DE PROTECCIÓN CONTRA LAS DESCARGAS ATMOSFÉRICAS AEA 92305-1 © Edición 2006 Página 70 Ondas de choque dentro de LPZ blindados Dentro de un LPZ con blindaje espacial efectivo (requiriendo apertura de malla por debajo de los 5m de acuerdo al Anexo A de AEA 92305-4), la generación de ondas de choque debidas a los efectos de inducción del campo magnético es fuertemente reducido. En tales casos las ondas de choque son inferiores que aquellas dadas en E.3.1. Dentro de LPZ 1 los efectos de inducción son inferiores debido al efecto amortiguador de su blindaje espacial. Dentro de LPZ 2 las ondas de choque son considerablemente reducidas debido al efecto cascada de los blindajes espaciales de LPZ 1 y LPZ 2. E.4 Información general relativa a los DPS El uso de DPS depende de su capacidad de resistir ondas de choque, siendo clasificados en IEC 61643-1 para potencia y en IEC 61643-21 para sistemas de telecomunicación. Los DPS a ser utilizados según la instalación son los siguientes: a) En la línea de entrada a la estructura (en el límite de LPZ 1, ej. en el tablero principal de distribución MB); • DPS ensayados con I imp (forma de onda típica 10/350, ej. DPS ensayado de acuerdo a la • Clase I); DPS ensayados con I n (forma de onda típica 8/20, ej. DPS ensayado de acuerdo a la Clase II). b) Cerca de los aparatos a proteger (en el límite de LPZ 2 y superior, ej. en el tablero seccional de distribución SB, o al tomacorriente SA): • DPS ensayados con I n (forma de onda típica 8/20, ej. DPS ensayado de acuerdo a la Clase II); • DPS ensayados con una onda combinada (forma de onda de corriente típica 8/20, ej. DPS ensayado de acuerdo a la Clase III).
