NTC 4552-1: Protección contra Rayos - Principios Generales

NORMA TÉCNICA
COLOMBIANA
NTC
4552-1
2008-11-26
PROTECCIÓN CONTRA DESCARGAS ELÉCTRICAS
ATMOSFÉRICAS (RAYOS).
PARTE 1: PRINCIPIOS GENERALES
E:
PROTECTION AGAINST LIGHTNING. PART 1: GENERAL
PRINCIPLES
CORRESPONDENCIA:
esta norma es modificada (MOD) de
la norma IEC 62305-1:2006.
DESCRIPTORES:
descarga
eléctrica
atmosférica,
protección contra rayo, nivel de
protección contra rayo, zona de
protección contra rayo.
I.C.S.: 91.120.40
Editada por el Instituto Colombiano de Normas Técnicas y Certificación (ICONTEC)
Apartado 14237 Bogotá, D.C. - Tel. (571) 6078888 - Fax (571) 2221435
Prohibida su reproducción
Editada 2008-12-10
PRÓLOGO
El Instituto Colombiano de Normas Técnicas y Certificación, ICONTEC, es el organismo
nacional de normalización, según el Decreto 2269 de 1993.
ICONTEC es una entidad de carácter privado, sin ánimo de lucro, cuya Misión es fundamental
para brindar soporte y desarrollo al productor y protección al consumidor. Colabora con el
sector gubernamental y apoya al sector privado del país, para lograr ventajas competitivas en
los mercados interno y externo.
La representación de todos los sectores involucrados en el proceso de Normalización Técnica
está garantizada por los Comités Técnicos y el período de Consulta Pública, este último
caracterizado por la participación del público en general.
La NTC 4552-1 fue ratificada por el Consejo Directivo de 2008-11-26.
Esta norma está sujeta a ser actualizada permanentemente con el objeto de que responda en
todo momento a las necesidades y exigencias actuales.
A continuación se relacionan las empresas que colaboraron en el estudio de esta norma a
través de su participación en el Comité Técnico 147 Protección contra descargas eléctricas
atmosféricas.
DEMO INGENIERÍA
ECOPETROL
ELECTROPOL
GENELEC
IEB INGENIERÍA
INGETESA
LEVITON
SPAT - MTM
SPT INGENIERÍA
UNIVERSIDAD DE LA SALLE
UNIVERSIDAD DISTRITAL
UNIVERSIDAD NACIONAL
Además de las anteriores, en Consulta Pública el Proyecto se puso a consideración de las
siguientes empresas:
COMISIÓN REGULADORA DE ENERGÍA
Y GAS
CONSULTORÍA COLOMBIANA S.A.
EMPRESA UNIPERSONAL CARLOS A.
ACOSTA S.
EMPRESAS PÚBLICAS DE MEDELLÍN ESP
HIDROCOL
INELMEC S.A.
INTERNACIONAL DE INGENIERÍA
SEGURIDAD ELÉCTRICA LTDA.
SIEMENS
UNIVERSIDAD DE ANTIOQUIA
UNIVERSIDAD DEL NORTE
UNIVERSIDAD DEL VALLE
ICONTEC cuenta con un Centro de Información que pone a disposición de los interesados
normas internacionales, regionales y nacionales y otros documentos relacionados.
DIRECCIÓN DE NORMALIZACIÓN
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NTC 4552-1
CONTENIDO
Página
INTRODUCCIÓN
1.
ALCANCE .........................................................................................................................1
2.
REFERENCIAS NORMATIVAS .......................................................................................1
3.
TÉRMINOS Y DEFINICIONES .........................................................................................2
4.
PARÁMETROS DEL RAYO .............................................................................................7
5.
DAÑOS DEBIDOS A RAYOS ..........................................................................................7
5.1
DAÑOS A ESTRUCTURAS .............................................................................................7
5.2
DAÑOS EN ACOMETIDAS ............................................................................................10
5.3
TIPOS DE PÉRDIDAS ....................................................................................................11
6.
NECESIDADES Y CONVENIENCIAS ECONÓMICAS PARA LA
PROTECCIÓN CONTRA RAYO ................................................................................13
6.1
NECESIDAD DE LA PROTECCIÓN CONTRA RAYO ..............................................13
6.2
CONVENIENCIAS ECONÓMICAS DE LA PROTECCIÓN CONTRA RAYO............14
7.
MEDIDAS DE PROTECCIÓN.........................................................................................14
7.1
MEDIDAS DE PROTECCIÓN PARA REDUCIR LESIONES EN SERES
VIVOS CAUSADAS POR TENSIONES DE PASO Y CONTACTO ..............................14
7.2
MEDIDAS DE PROTECCIÓN PARA REDUCIR DAÑOS FÍSICOS .............................15
7.3
MEDIDAS DE PROTECCIÓN PARA REDUCIR FALLAS EN SISTEMAS
ELÉCTRICOS Y ELECTRÓNICOS ................................................................................15
7.4
SELECCIÓN DE MEDIDAS DE PROTECCIÓN ............................................................16
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Página
8.
CRITERIOS BÁSICOS PARA LA PROTECCIÓN DE ESTRUCTURAS Y
ACOMETIDAS.................................................................................................................16
8.1
NIVELES DE PROTECCIÓN CONTRA RAYO (NPR) ..................................................16
8.2
ZONAS DE PROTECCIÓN CONTRA RAYO (ZPR) .....................................................18
8.3
PROTECCIÓN DE ESTRUCTURAS..............................................................................19
8.4
PROTECCIÓN DE ACOMETIDAS.................................................................................22
BIBLIOGRAFÍA ...........................................................................................................................70
FIGURAS
Figura 1. Tipo de pérdidas como resultado de diferentes tipos de daño .......................14
Figura 2. Zonas de protección contra rayos ZPR definidas para
un SIPRA (NTC 4552-3) ........................................................................................................19
Figura 3. Zonas de protección contra rayos ZPR definidas para medidas de
protección contra IER ..........................................................................................................20
TABLAS
Tabla 1. Efecto de los rayos sobre estructuras típicas...........................................................8
Tabla 2. Efectos del rayo en acometidas típicas ...................................................................10
Tabla 3. Daños y pérdidas en una estructura de acuerdo con diferentes puntos de
impacto .......................................................................................................................................12
Tabla 4. Daños y pérdidas en la acometida de servicio de acuerdo con diferentes
puntos de impacto de rayo ..................................................................................................13
Tabla 5. Valores máximos de parámetros del rayo de acuerdo con el NPR ............. 17
Tabla 6. Valores mínimos de parámetros del rayo relativos al radio de la esfera
rodante correspondiente a cada NPR .....................................................................................18
Tabla 7. Probabilidades para los límites de los parámetros del rayo..............................18
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Página
ANEXOS
ANEXO A (Informativo)
PARÁMETROS DEL RAYO .......................................................................................................23
ANEXO B (Informativo)
FUNCIONES DE LOS PARÁMETROS DEL RAYO PARA PROPÓSITOS DE ANÁLISIS
EN EL DOMINIO DEL TIEMPO ..................................................................................................38
ANEXO C (Informativo)
SIMULACIÓN DE LOS PARÁMETROS DEL RAYO PARA PROPÓSITOS DE PRUEBA ..41
ANEXO D (Informativo)
PARÁMETROS DE PRUEBA PARA SIMULAR LOS EFECTOS DE LOS RAYOS
SOBRE COMPONENTES DE UN SIPRA..............................................................................45
ANEXO E (Informativo)
SOBRETENSIONES DEBIDAS A IMPACTOS DE RAYOS EN DIFERENTES PUNTOS
DE LA INSTALACIÓN ...........................................................................................................60
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INTRODUCCIÓN
Las descargas eléctricas atmosféricas o rayos son un fenómeno natural que varía con el espacio
y con el tiempo y no existen actualmente dispositivos tecnológicos ni métodos capaces de
evitarlos, pero sí de prevenirlos. Los rayos que impactan en las estructuras, las acometidas de
servicios domiciliarios (energía, acueducto, telecomunicaciones) o cerca del suelo, son peligrosos
para las personas, para los hogares, afectando su contenido e instalaciones. Por lo tanto debe
ser considerada la aplicación de medidas de protección contra rayos.
La necesidad de protección, las ventajas económicas de instalación de la protección y la
selección de las medidas adecuadas para la protección se deben determinar en términos del
manejo del riesgo. El método de manejo de riesgo se expresa en la NTC 4552-2.
Los criterios para el diseño, la instalación y el mantenimiento de medidas de protección contra
rayo se consideran dentro de tres grupos separados:
Un primer grupo se refiere a las medidas de protección para reducir los daños físicos y el peligro
de los seres vivientes dentro de una estructura, expresado en la NTC 4552-3.
Un segundo grupo se refiere a las medidas de protección para reducir las fallas en los sistemas
eléctricos y electrónicos de una estructura, expresados en la 4552-4 (por publicar).
Un tercer grupo se refiere a las medidas de protección para reducir los daños físicos y fallas en la
prestación de servicios que incorporan una estructura (principalmente eléctricos y las líneas de
telecomunicación), expresados en la NTC 4552-5 (por publicar).
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PROTECCIÓN CONTRA DESCARGAS
ELÉCTRICAS ATMOSFÉRICAS (RAYOS).
PARTE 1: PRINCIPIOS GENERALES
1.
ALCANCE
Esta norma presenta los principios generales que deben seguirse en la protección contra rayos de:
-
Estructuras, incluyendo sus instalaciones y contenidos, así como a las personas.
-
Servicios que entran a la estructura
Los siguientes casos están fuera del objeto de esta norma:
-
Sistemas de trenes eléctricos;
-
Vehículos, barcos, aeronaves, instalaciones en mar abierto;
-
Tuberías subterráneas de alta presión;
-
Redes de tuberías, energía y telecomunicaciones no conectadas a la estructura.
2.
REFERENCIAS NORMATIVAS
Los siguientes documentos normativos fueron tenidos en cuenta en la elaboración de la presente
norma. Se recomienda aplicar las ediciones más recientes de los documentos normativos
indicados a continuación. Los miembros de ICONTEC, la lEC y de la ISO mantienen registros de
las normas internacionales actualmente válidas.
NTC 2050:1998, Código Eléctrico Colombiano.
lEC 60364, (All Parts) Electrical Installations of Buildings.
lEC 60479, (All Parts) Effects of Current on Human Beings and Livestock
lEC 61643-1:2005, Low-voltage Surge Protective Devices. Part 1: Surge Protective Devices
Connected to Low-voltage Power Distribution Systems. Requirements and Tests.
lEC 61643-12:2002, Low-voltage Surge Protective Devices. Part 12: Surge Protective Devices
Connected to Low-voltage Power Distribution Systems. Selection and Application Principles.
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lEC 62305, (All Parts) Protection Against Lightning.
IEEE C.62.41.1:2002, Guide on the Surge Environment in Low-Voltage (1 000 V And Less)
AC Power Circuits.
IEEE C.62.41.2:2002, Recommended Practice on Characterization of Surges in Low-voltage
(1 000 V and Less) AC Power Circuits.
IEEE C.62.45:2002, Recommended Practice on Surge Testing For Equipment Connected to Lowvoltage (1 000 V and Less) AC Power Circuits
3.
TÉRMINOS Y DEFINICIONES
Para propósito de esta norma, se aplican las siguientes definiciones:
3.1 Acometida a ser protegida (Service to be Protected). Acometida conectada a una
estructura para la cual se requiere protección contra los efectos del rayos
3.2 Apantallamiento magnético (Magnetic Shield). Conjunto de elementos metálicos que
encierran el objeto a proteger, o parte de este, para reducir fallas en sistemas eléctricos y
electrónicos.
3.3 Carga del rayo (Qrayo) (Flash Charge). Integral en el tiempo de la corriente de rayo para la
duración completa del rayo.
3.4 Carga eléctrica de una descarga corta (Qcorta) (Short Stroke Charge). Integral en el tiempo
de la corriente de rayo en una descarga corta.
3.5 Carga eléctrica de una descarga larga (Qlarga) (Long Stroke Charge). Integral en el tiempo
de la corriente de rayo en una descarga larga.
3.6 Conductor blindado (Shielding Wire). Conductor metálico (alambre) usado para reducir
daños físicos en acometidas, causados por el rayo.
3.7 Conexión equipotencial de rayo (Lightning Equipotential Bonding). Conexiones al
SIPRA de piezas metálicas separadas por conexiones conductoras directas o por dispositivos de
protección contra sobretensiones (DPS), empleadas para reducir las diferencias de potencial
causadas por corrientes de rayo.
3.8 Corriente de rayo (i) (Lightning Current). Corriente que fluye en el punto de impacto.
3.9 Daño físico (Physical Damage). Daño a la estructura o al contenido de la misma debido a
efectos mecánicos, térmicos, químicos y explosivos del rayo.
3.10 Descarga (Lightning Stroke). Descarga eléctrica atmosférica simple a tierra.
3.11 Descarga ascendente (Upward Flash). Rayo iniciado por un líder ascendente desde una
estructura conectada a tierra hacia una nube. Una descarga ascendente consiste de una primera
descarga larga con o sin múltiples descargas cortas sobrepuestas. Una o más descargas cortas
pueden ser seguidas por una descarga larga.
3.12 Descarga corta (Short Stroke). Parte del rayo que corresponde a un impulso de corriente.
Esta corriente tiene un tiempo medio T2 comúnmente menor a 2 ms, (véase la Figura A.1).
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3.13 Descarga descendente (Downward Flash). Rayo iniciado por un líder descendente de
nube a tierra. La descarga descendente consiste en una primera descarga corta (Short Stroke),
que puede estar seguida por otras descargas cortas subsecuentes. Una o más descargas cortas
pueden estar seguidas por una descarga larga (Long Stroke).
3.14 Descarga larga (Long Stroke). Parte del rayo que corresponde a una corriente continua. El
tiempo de duración Tlargo (tiempo del 10 % del valor en el frente al 10 % del valor en la cola) de
esta corriente continua, es típicamente mayor de 2 ms y menor de 1 s (véase la Figura A.2).
3.15 Descarga nube tierra (Lightning Flash to Earth). Rayo de origen atmosférico entre nube y
tierra que consiste en una o más descargas (Strokes).
3.16 Dispositivo de protección contra sobretensiones DPS (Surge Protective Device SPD).
Dispositivo que limita intencionalmente las sobretensiones transitorias y dispersa las
sobrecorrientes transitorias. Contiene por lo menos un componente no lineal.
3.17 Dispositivo de protección contra sobretensiones transitorias del tipo conmutación de
tensión. Un DPS que tiene una alta impedancia cuando no está presente un transitorio, pero que
cambia súbitamente su impedancia a un valor bajo en respuesta a un transitorio de tensión.
Ejemplos de estos dispositivos son: Los vía de chispa, tubos de gas, entre otros.
3.18 Dispositivo de protección contra sobretensiones transitorias del tipo limitación de la
tensión. Un DPS que tiene una alta impedancia cuando no está presente un transitorio, pero que
se reduce gradualmente con el incremento de la corriente y la tensión transitoria. Ejemplos de
estos dispositivos son: varistores, diodos de supresión, entre otros.
3.19 Duración de corriente de descarga larga (Tlarga) (Duration of Long Stroke Current)
Tiempo que dura la descarga larga (véase la Figura A.2).
3.20 Duración del rayo (T) (Flash Duration). Tiempo durante el cual la corriente del rayo fluye
en el punto de impacto.
3.21 Energía específica de la corriente de descarga corta (Specific Energy of Short Stroke
Current). Integral en el tiempo del cuadrado de la corriente de rayo para una descarga corta.
NOTA
La energía específica de una descarga corta es insignificante.
3.22 Energía específica del rayo (W/R) (Specific Energy). Representa la energía disipada por
la corriente de rayo en una resistencia unitaria y se obtiene mediante la integral en el tiempo del
cuadrado de la corriente de rayo para la duración completa del mismo.
3.23 Estructura a ser protegida (Structure to be Protected) Estructura para la cual se requiere
protección contra efectos del rayo.
NOTA
Una estructura protegida puede ser parte de una estructura más grande
3.24 Falla del sistema eléctrico y electrónico (Failure of Electrical and Electronic System)
Daños permanentes del sistema eléctrico y electrónico por causa de efectos electromagnéticos
del rayo.
3.25 Impedancia a tierra convencional (Convencional Earthing Impedance). Relación de los
valores pico de la tensión y corriente de puesta a tierra que, en general, no se producen
simultáneamente.
3
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3.26 Impulso electromagnético del rayo IER (Lightning Electromagnetic Impulse LEMP)
Campo electromagnético generado por la corriente del rayo, capaz de generar interferencia
electromagnética
NOTA
La interferencia electromagnética incluye sobretensiones conducidas al equipo del sistema eléctrico y
electrónico así como efectos directos del campo magnético sobre el equipo mismo.
3.27 Lesiones a seres vivos (Injuries of Living Beings). Pérdidas de facultades físicas,
biológicas, psíquicas, incluida la vida, de personas o animales debidas a tensiones de paso o de
contacto causados por el rayo.
3.28 Máxima tensión de operación continua (Maximum Continuous Operating Voltage).
Máxima tensión c.a. o c.c. que puede ser aplicada continuamente a un DPS en cualquier modo
de protección. Es igual a la máxima tensión nominal del dispositivo.
3.29 Medidas de protección (Protection Measures). Medidas a ser adoptadas en el objeto a
proteger con el fin de reducir el riesgo debido a rayos.
3.30 Multiplicidad (Multiple Strokes). Número de descargas que componen un rayo. Para el
caso de la región colombiana, la multiplicidad presenta un valor promedio entre 1 y 2, con un
intervalo típico de tiempo entre éstas, de aproximadamente 50 ms (Se han reportado eventos de
hasta 16 descargas con intervalos entre 10 a 250 ms).
3.31 Nivel de protección contra rayos NPR (Lightning Protection Level LPL). Número
relacionado con un conjunto de los parámetros de la corriente de rayo, pertinentes a la
probabilidad que asocia los valores de diseño máximo y mínimo, son valores que no serán
excedidos cuando naturalmente ocurra una descarga eléctrica atmosférica
NOTA
El nivel de protección contra rayo se utiliza para diseñar las medidas de protección contra rayo.
3.32 Nivel de protección en tensión (Voltage Protection Level). Es el valor máximo de tensión
que aparece entre los terminales de un DPS cuando opera a sus condiciones nominales.
3.33 Objeto a proteger (Object to be Protected). Estructura o acometida de servicio a ser
protegida contra los efectos del rayo.
3.34 Origen virtual de la corriente de descarga corta (O1) ((Virtual origen of Short Stroke
Current). Punto de intersección de una línea recta con el eje del tiempo, la cual une el 10 % y el
90 % de los puntos de referencia sobre la entrada de la corriente de descarga (véase la Figura A.1).
3.35 Partes externas conductoras (External Conductive Parts). Extensiones de partes
metálicas que ingresan o salen de la estructura a proteger, por ejemplo tuberías, cables
metálicos, ductos metálicos, entre otros, que pueden llevar corrientes parciales de rayo.
3.36 Pendiente promedio de la corriente de descarga corta (Average Steepness of the
Short Stroke Current). Rata promedio de variación de la corriente de descarga dentro de un
intervalo de tiempo t2 - t1. Es expresada por la diferencia i(t2) - i(t1) de los valores de corriente en el
comienzo y en el final de este intervalo, dividido por el intervalo de tiempo t2 - t1 (véase la
Figura A.1).
3.37 Protección con DPS coordinados (Coordinated SPD Protection). Conjunto de DPS
seleccionados apropiadamente, coordinados e instalados para reducir las fallas en los sistemas
eléctricos y electrónicos
4
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3.38 Punto de impacto (Point of Strike). Punto donde una descarga toca tierra o un objeto
elevado (ejemplo: estructuras, sistemas de protección contra rayos, acometidas, árboles, entre
otros).
NOTA
Una descarga puede tener más de un punto de impacto.
3.39 Rayo (Lightning): La descarga eléctrica atmosférica o más comúnmente conocida como
rayo, es un fenómeno físico que se caracteriza por una transferencia de carga eléctrica de una
nube hacia la tierra, de la tierra hacia la nube, entre dos nubes, al interior de una nube o de la
nube hacia la ionósfera.
3.40 Rayo cercano a un objeto (Lightning Flash Near to an Object). Rayo que impacta en la
vecindad de un objeto protegido, capaz de dañar el sistema eléctrico o electrónico.
3.41 Rayo en un objeto (Lightning Flash to an Object). Rayo que impacta a un objeto a ser
protegido.
3.42 Riesgo (Risk) (R). Valor probabilístico relativo a una pérdida anual (seres humanos y
bienes), causada por el rayo y relativas al valor del objeto a proteger.
3.43 Riesgo tolerable (RT) (Tolerable Risk). Valor máximo del riesgo que se puede tolerar
para el objeto a proteger.
3.44 Transitorio (Surge). Onda transiente causado por un IER que aparece como
sobretensión y/o sobrecorriente
NOTA Los transitorios causados por un IER pueden presentarse por corrientes de rayo (parciales), por lazos
inductivos y por los efectos remanentes (tensión y/o corriente) que deja pasar el DPS
3.45 Servicios a proteger (Services to be Protected). Servicios incorporados a una estructura
para la cual se requiere protección contra los efectos del rayo.
NOTA
Las acometidas eléctricas y de telecomunicaciones, son las más afectadas por el rayo.
3.46 Sistema de captación (Air Terminal System). Parte de un SIPRA, compuesto de
elementos metálicos tales como bayonetas, conductores de acoplamiento o cables colgantes que
interceptan intencionalmente el rayo.
3.47 Sistema de conductores bajantes (Down Conductors System). Parte de un SIPRA que
conduce intencionalmente la corriente del rayo desde el sistema de captación al sistema de
puesta a tierra.
3.48 Sistema de medidas de protección contra IER (LEMP Protection Measures System).
Conjunto de medidas de protección contra IER para sistemas internos.
3.49 Sistema de protección contra sobretensiones (Surge Protection Devices System).
Conjunto de DPS seleccionados, coordinados e instalados correctamente para reducir fallas de
sistemas eléctricos, electrónicos y de telecomunicaciones.
3.50 Sistema de protección externa (External Lightning Protection System). Parte del
SIPRA que consiste en un sistema de puntas de captación, un sistema de conductor bajante y
un sistema de puesta a tierra.
NOTA
Generalmente estos elementos están instalados externamente a la estructura.
5
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3.51 Sistema de protección interna (Internal Lightning Protection System). Parte de un
SIPRA que consiste en una conexión equipotencial de rayo y acorde con la distancia de
separación dentro de la estructura protegida.
3.52 Sistema de puesta a tierra (Earth Termination System). Parte de un SIPRA que conduce
y dispersa intencionalmente la corriente de rayo en tierra.
3.53 Sistema eléctrico (Electrical System). Sistema que incluye componentes de suministro
eléctrico de baja tensión y posiblemente componentes electrónicos.
3.54 Sistema electrónico (Electronic System). Sistema que incluye componentes electrónicos
sensibles tales como equipos de comunicación, computadores, instrumentos de control e
instrumentación, sistemas de radio, instalaciones electrónicas de potencia.
3.55 Sistema integral de protección contra rayo SIPRA (Lightning Protection System LPS).
Sistema integral usado para reducir los daños físicos que pueden ser causados por el rayo a un
ser vivo o a una estructura. Se puede considerar la medida más efectiva para proteger las
estructura contra los daños físicos causado por las descargas eléctricas atmosféricas. Este
sistema usualmente consiste tanto de una protección externa, una interna y medidas de
seguridad y protección personal contra rayos.
3.56 Sistema interno (Internal System). Sistemas eléctricos y electrónicos dentro de una
estructura.
3.57 Tensión de contacto. Diferencia de potencial que durante una falla se presenta entre una
estructura metálica puesta a tierra y un punto de la superficie del terreno a una distancia de un
metro. Esta distancia horizontal es equivalente a la máxima que se puede alcanzar al extender un
brazo.
3.58 Tensión de paso. Diferencia de potencial que durante una falla se presenta entre dos
puntos de la superficie del terreno, separados por una distancia de un paso (aproximadamente
un metro).
3.59 Tensión nominal soportable al impulso tipo rayo (Uw). (Rated Inpulse Withstand
Voltage). Valor de tensión asignado por el fabricante al equipo o a una parte de éste, que
caracteriza la rigidez dieléctrica al impulso de su aislamiento contra sobretensiones.
3.60 Tensión residual (Residual Voltage). Es el valor pico de la tensión que aparece entre los
terminales de un DPS debido al paso de una corriente de descarga.
3.61 Terminal de captación o dispositivo de interceptación de rayos (Air Terminal).
Elemento metálico cuya función es interceptar los rayos que podrían impactar directamente
sobre la instalación a proteger. Comúnmente se le conoce como pararrayos.
3.62 Tiempo de cola (T2) (Time to Half Value of Short Stroke Current). Parámetro virtual
definido como el intervalo de tiempo entre el origen virtual O1 y el instante en que la corriente
ha disminuido a la mitad del valor máximo (véase la Figura A.1).
3.63 Tiempo de frente de la corriente de descarga corta (T1) (Front Time of Short Stroke
Current (T1)). Parámetro virtual definido como 1.25 veces el intervalo de tiempo entre los
instantes en que se alcanza el 10 % y el 90 % del valor máximo (véase la Figura A.1).
3.64 Valor pico (I) (Peak Value). Valor máximo de la corriente de rayo.
6
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NTC 4552-1
3.65 Zona de protección contra rayos ZPR (Lightning Protection Zone LPZ). Zona donde
está definido el ambiente electromagnético del rayo.
NOTA
En la ZPR los efectos electromagnéticos de la corriente de rayo pueden ser atenuados.
4.
PARÁMETROS DEL RAYO
Los parámetros del rayo usados en la serie de la NTC 4552 están reportados en el Anexo
informativo A del presente documento.
La función en el tiempo del rayo para propósitos de prueba está reportada en el Anexo B
informativo del presente documento.
La información para la simulación del rayo para propósitos de prueba está dada en el Anexo C
informativo del presente documento.
Los parámetros básicos a ser usados en laboratorio para simular los efectos de los rayos en
componentes de un SIPRA están reportados en el Anexo informativo D del presente
documento.
La información de sobretensiones debidas a impactos de rayos en diferentes puntos de la
instalación está dada en el Anexo E.
5.
DAÑOS DEBIDOS A RAYOS
5.1
DAÑOS A ESTRUCTURAS
El rayo que afecta a una estructura puede causar daño a la estructura misma, a sus ocupantes
y a su contenido, incluyendo fallas en sistemas internos. Los daños y las fallas pueden
extenderse a los alrededores de la estructura, incluso pueden envolver el medio ambiente local.
La escala de esta extensión depende de las características de la estructura y de las
características de la descarga atmosférica.
5.1.1
Efectos del rayo en una estructura
Las principales características de la estructura respecto a los efectos del rayo incluyen:
-
Construcción (madera, ladrillo, concreto, concreto reforzado, construcción en marco de
acero).
-
Función (vivienda, oficina, granja, teatro, hotel, escuela, hospital, museo, iglesia, prisión,
almacén grande, banco, fábrica, planta industrial, áreas deportivas).
-
Ocupantes y contenido (personas y animales, presencia de materiales combustibles o
incombustibles, materiales explosivos o no explosivos, sistemas eléctricos y electrónicos
con resistencia a la baja o alta tensión).
-
Acometidas entrantes (líneas de energía, líneas de telecomunicaciones, tuberías).
-
Medidas de protección (ej. las medidas de protección reducen los daños físicos y el
peligro de perder la vida, la protección reduce las fallas de sistemas internos).
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NORMA TÉCNICA COLOMBIANA
-
NTC 4552-1
Grado de extensión del peligro (estructura con dificultades de evacuación o estructura
donde el pánico puede ser creado, estructura peligrosa a los alrededores, estructuras
de ambiente peligroso).
La Tabla 1 muestra los efectos del rayo en diversos tipos de estructura.
Tabla 1. Efecto de los rayos sobre estructuras típicas
Tipo de estructura según la
función y/o el contenido
Casa de habitación
Efectos del rayo
Perforación de instalaciones eléctricas, fuego y daños materiales
Daño limitado normalmente a los objetos expuestos al punto de
toque o a la trayectoria de la corriente del rayo.
Falla de equipo eléctrico y electrónico y de sistemas instalados (ej.
Sistemas de TV, computadoras, módems, teléfonos, etc.)
Riesgo primario de fuego y tensiones de paso peligrosos, así como
daño material.
Edificación rural
Teatro, Hotel, Escuela,
Almacén grande, Área deportiva
Riesgo secundario causado por pérdida de energía eléctrica, y
peligro de vida del ganado debido a la falta de control electrónico
de sistemas de ventilación y de suministro de alimentos, etc.
Daño de instalaciones eléctricas (ej. iluminación eléctrica)
probablemente causa de pánico.
Falla de alarmas contra incendio, dando por resultado retrasos en
las medidas de extinción del fuego
Banco, Compañía de seguros
Centros comerciales, etc.
Situaciones como las anteriores, más problemas resultado de
pérdida de comunicación, falla de computadoras y pérdida de
datos
Hospital, Clínica de reposo, Prisión
Situaciones como las anteriores, más complicaciones con las
personas en cuidados intensivos, y dificultades de rescatar a gente
inmóvil.
Industria
Efectos adicionales dependiendo del contenido de la fábricas,
extendiéndose de menor importancia por daño inaceptable y
pérdida de la producción.
Museos y sitios arqueológicos
Iglesias
Pérdida de patrimonio cultural irreemplazable.
Telecomunicaciones, Centrales
eléctricas
Pérdidas inaceptables de servicio al público.
Fábrica de fuegos artificiales
Trabajos con municiones
Fuego y explosión de la planta y a sus alrededores.
Planta química, Refinería
Central nuclear , Laboratorios
bioquímicos y plantas
Fuego y mal funcionamiento de la planta con consecuencias
perjudiciales al ambiente local y global.
5.1.2
Fuentes y tipos de daños de una estructura
La corriente de rayo es la fuente del daño. Las siguientes situaciones son consideradas
dependiendo de la posición del punto de impacto relativo a la estructura:
S1
Impacto a la estructura
S2
Impacto cerca de la estructura
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NTC 4552-1
S3
Impacto al servicio entrando a la estructura
S4
Impacto cerca al servicio entrando a la estructura
Los rayos que impactan a la estructura pueden causar:
-
Daño mecánico inmediato, fuego y/o explosión causado por el arco caliente ionizado del
rayo, o causado por la corriente de rayo que origina calentamiento resistivo de los
conductores (recalentamiento de conductores), o causado por la carga que origina un
arco corrosivo (metal derretido).
-
Fuego y/o explosión iniciado por chispas, causadas por sobretensiones resultantes de
acoples inductivos o resistivos y por el paso de parte de la corriente de rayo.
-
Lesiones a personas por tensiones de paso y de contacto resultado de acoples
resistivos e inductivos.
-
Fallas o mal funcionamiento de sistemas internos causados por IER.
Los rayos que impactan cerca de la estructura pueden causar falla o mal funcionamiento de
sistemas internos causados por IER.
Los rayos que impactan sobre acometidas entrantes a la estructura pueden causar:
-
Fuego y/o explosión iniciado por chispas, causadas por sobretensiones y corrientes de
rayo transmitidas por la acometida entrante.
-
Lesiones a personas causadas por tensiones de contacto dentro de la estructura,
originados por corrientes de rayo transmitidas por la acometida entrante.
-
Falla o mal funcionamiento de sistemas internos causado por sobretensiones
transmitidas a la estructura por líneas entrantes.
Los rayos que impactan cerca de la acometida entrante a la estructura pueden causar:
-
Falla o mal funcionamiento de sistemas internos causado por sobretensiones inducidas
y transmitidos por líneas entrantes a la estructura.
NOTA El funcionamiento incorrecto de sistemas internos no es tratado en la serie NTC 4552. Se hace énfasis de
esto en la publicación lEC 61000-4-5.
NOTA
fuego.
Solamente las chispas que llevan corrientes de rayo (total o parcialmente) se consideran capaces de iniciar
NOTA Los rayos, directos o cerca de tuberías entrantes, no causan daños a la estructura, debido a que estas se
enlazan a la barra equipotencial de la estructura (véase la NTC 4552-3).
Como resultado, el rayo puede causar tres tipos básicos de daños:
D1
Lesiones a los seres vivos, causadas por tensiones de contacto y de paso.
D2
Daños físicos (fuego, explosión, destrucción mecánica, escape químico) causados por
efectos de la corriente de rayo incluyendo chispas.
D3
Fallas de sistemas internos causados por IER.
9
NORMA TÉCNICA COLOMBIANA
5.2
NTC 4552-1
DAÑOS EN ACOMETIDAS
El rayo que afecta una acometida puede causar daño físico a esta -línea o tubería- según sea
usada para proporcionar algún servicio (energía, telecomunicaciones, acueducto), así como al
equipo eléctrico y electrónico conectado a ésta.
La escala de esta proporción de daño depende de las características de la acometida, del tipo y
de la extensión de los sistemas eléctricos y electrónicos y de las características del rayo.
5.2.1
Efectos del rayo en acometidas
Las características principales de la acometida a las que se consideran los efectos del rayo
son:
-
Construcción (línea: aérea, subterránea, cubierta, descubierta, fibra óptica; tubo:
metálico, plástico).
-
Función (línea de telecomunicación, línea de energía, tubería).
-
Estructura considerada (construcción, contenido, dimensiones, localización).
-
Existencia o suministro de medidas de protección (alambre blindado, DPS, redundancia
de línea, sistemas de almacenamiento de fluido, sistemas de generación, Sistema de
Potencia ininterrumpida UPS).
La Tabla 2 muestra los efectos del rayo en acometidas típicas.
Tabla 2. Efectos del rayo en acometidas típicas
Tipo de acometida
Líneas de telecomunicaciones
Efectos del rayo
Daños mecánicos de la línea, derretimiento de pantallas y
conductores, falla del aislamiento del cable y falla primaria del equipo
principal causa de inmediata pérdida del servicio.
Fallas secundarias en los cables de fibra óptica con daño del cable
pero sin pérdida del servicio.
Daños en los aisladores de líneas aéreas de baja tensión.
Líneas de Energía
Perforaciones del aislamiento del cable de la línea, falla del
aislamiento del equipo de la línea y de transformadores con la
consecuencia de perder el servicio.
Tuberías de agua
Daños a los equipos de control eléctrico y electrónico, probablemente
causando la pérdida del servicio.
Tuberías de gas, Tuberías de
combustible
5.2.2
Perforaciones de empaques no metálicos probablemente causando
fuego y/o la explosiones.
Daños a equipos de control eléctrico y electrónico probablemente
causando pérdida del servicio.
Fuentes y tipos de daño en una acometida
La corriente de rayo es la fuente del daño. Las siguientes situaciones deben ser consideradas
dependiendo de la posición del punto de impacto relativo a la acometida considerada:
S1
Rayos a la estructura suplida por la acometida considerada,
S3
Rayos a la acometida entrante a la estructura,
10
NORMA TÉCNICA COLOMBIANA
S4
NTC 4552-1
Rayos cerca de la acometida entrante a la estructura
Rayos que impactan la estructura pueden causar en la acometida de servicio:
-
Fundición de alambres metálicos (conductores) y de las pantallas del cable, causado
por parte de la corriente de rayo que fluye en las acometidas, dando por resultado un
calentamiento resistivo.
-
Falla del aislamiento en líneas y de los equipos conectados causados por acoples
resistivos. (ACOPLAMIENTOS).
-
Disrupción de empaques no metálicos en bordes de tubos, así como empaques en
empalmes de aisladores.
NOTA
El cable de fibra óptica sin conductor metálico no es afectado por la caída del rayo en la estructura.
Rayos que impactan la acometida entrante a la estructura pueden causar en la acometida
de servicio:
-
Daño mecánico inmediato de alambres o ductos metálicos de la acometida causados
por esfuerzo electrodinámico o por efectos térmicos de la corriente de rayo (rompiendo
y/o fundiendo alambres, pantallas o tuberías metálicas), y causados por el arco
ionizante de calor (perforando la cubierta protectiva de plástico).
-
Daño eléctrico inmediato de las líneas (Falla de aislamiento) y del equipo conectado;
-
Perforaciones finas en bordes y empaques de tubería aérea metálica y no metálica,
donde sus consecuencias pueden extenderse a fuego y explosión, dependiendo del tipo
de líquidos transportados.
Los rayos que impactan cerca de la acometida entrante a la estructura pueden causar en
la acometida de servicio:
-
Falla del aislamiento en líneas y equipos conectados a éstas, debido a acoples
inductivos (sobretensiones inducidas).
NOTA
El cable de fibra óptica sin conductores metálicos no es afectado por los rayos a tierra.
Como resultado, el rayo puede causar dos tipos básicos de daños:
D2
Daños físicos (fuego, explosión, destrucciones mecánicas, escape químico) causados
por efectos térmicos de la corriente del rayo.
D3
Falla de sistemas eléctricos y electrónicos causados por sobretensiones.
5.3
TIPOS DE PÉRDIDAS
Cada tipo de daño, solo o conjuntamente con otros, pueden producir diferentes consecuencias
perjudiciales en el objeto a proteger. El tipo de pérdida que puede aparecer depende de las
características del objeto mismo.
Para propósitos de esta norma son considerados los siguientes tipos de pérdidas:
L1
Pérdida de vidas humanas
11
NORMA TÉCNICA COLOMBIANA
L2
Pérdida de servicios públicos
L3
Pérdida de bienes culturales
L4
Pérdidas económicas
NTC 4552-1
Las pérdidas del Tipo L1, L2 y L3 se pueden considerar como pérdidas de valor social,
mientras que las pérdidas del Tipo L4 se pueden considerar como pérdidas económicas.
Las pérdidas que pueden asociarse con los impactos en o cerca de las estructuras son L1, L2,
L3 y L4.
Las pérdidas que pueden asociarse con los impactos en o cerca de las acometidas de servicio
son L2 y L4.
La relación entre la fuente de daño, el tipo de daño y la pérdida para las estructuras y para las
acometidas se presenta en la Tabla 3 y Tabla 4 respectivamente.
Tabla 3. Daños y pérdidas en una estructura de acuerdo con diferentes puntos de impacto
Fuente de
Daño
Tipo de
Daño
Tipo de
Pérdida
Estructura
S1
D1
D2
D3
L1, L4(2)
L1, L2, L3, L4
L1, L2, L4
Cerca de la estructura
S2
D2**, D3
L1(1), L2, L4
Acometida de servicio
entrando a la estructura
S3
D1
D2
D3
Cerca de la acometida
de servicio
S4
D3
Punto de Impacto
(2)
L1, L4
L1, L2, L3, L4
L1(1), L2, L4
L1(1), L2, L4
(1)
Solo para estructuras con riesgo de explosión, hospitales u otra estructura en donde las fallas del sistema
interno ponga en peligro la vida humana.
(2)
Solo para propiedades donde exista pérdida de animales.
** En el caso de estructuras con riesgo de explosión.
12
NORMA TÉCNICA COLOMBIANA
NTC 4552-1
Tabla 4. Daños y pérdidas en la acometida de servicio de acuerdo con diferentes
puntos de impacto de rayo
Punto de impacto
Fuente de daño
Tipo de daño
Tipo de pérdida
*
Acometida de Servicio
S3
D2 ,D3
L1, L2,L4
Cerca a la acometida de
servicio
S4
D3
L2,L4
Estructura suplida
S1
D2*,D3
L1,L2,L4
* En el caso de tuberías con empaques o bridas no metálicos transportando fluidos explosivos
6.
NECESIDADES Y CONVENIENCIAS ECONÓMICAS PARA LA PROTECCIÓN
CONTRA RAYO
6.1
NECESIDAD DE LA PROTECCIÓN CONTRA RAYO
En función de reducir pérdidas de valores sociales L1, L2, y L3 será evaluada la necesidad de
proteger un objeto contra rayo. Para evaluar si una u otra protección contra rayo es necesaria,
se realiza una evaluación del riesgo de acuerdo con los procedimientos contenidos en la
NTC 4552-2.
Los siguientes riesgos deben considerase, correspondientemente a los tipos de pérdida
descritos en el numeral 5.2.3:
R1
riesgo de perdida de vidas humanas;
R2
riesgo de pérdida de servicios públicos domiciliarios;
R3
riesgo de pérdida del patrimonio cultural;
La protección contra rayo es necesaria si el riesgo R (R1 a R3) es más alto que el nivel tolerable
RT
R > RT
En este caso la medida de protección será adoptada en orden de reducir el riesgo R (R1 a R3)
al nivel tolerable RT
R ≤ RT
Si más de un tipo de pérdida podría aparecer en el objeto que se protegerá, la condición
R ≤ RT será satisfecha para cada tipo de la pérdida (L1, L2 y L3)
Los valores del riesgo tolerable RT donde el resultado del impacto de rayo sea la pérdida de
artículos de valor social, debe estar bajo la responsabilidad del organismo nacional
competente.
NOTA El detalle sobre la información de la evaluación del riesgo y el procedimiento para la selección de las
medidas de protección están descritas en la NTC 4552-2.
Los tipos de pérdida que resultan de tipos de daño y la relación con el riesgo se muestran en la
Figura 1.
13
NORMA TÉCNICA COLOMBIANA
Tipo de
pérdidas
Tipo de
daños
1)
Lesiones por
tensiones de
paso y de
contacto
NTC 4552-1
Riesgo
R1
Riesgo
R2
Riesgo
R3
Riesgo
R4
Pérdida de
vidas
humana
Pérdida de
servicios
públicos
Pérdida de
bienes
culturales
Pérdidas
económicas
Fuego
Falla por sobretensiones
Fuego
Falla por sobretensiones
Fuego
Lesiones por
tensiones de
paso y de
contacto
Fuego
Falla por sobretensiones
Solamente para hospitales u otro tipo de estructuras las fallas en sistemas eléctricos o electrónicos
comprometen vidas humanas
Figura 1. Tipo de pérdidas como resultado de diferentes tipos de daño
6.2
CONVENIENCIAS ECONÓMICAS DE LA PROTECCIÓN CONTRA RAYO
Además de necesitar la protección contra rayo para que el objeto sea protegido, puede ser útil
evaluar las ventajas económicas al proporcionar medidas de protección para reducir pérdidas
económicas del Tipo L4.
En este caso el riesgo de pérdida de valores económicos R4 debe ser determinado. La
evaluación del riesgo R4 permite calcular el costo de la pérdida económica con y sin medidas
de protección.
La protección contra rayos es conveniente si la suma del costo de pérdida residual en la
presencia de medidas de protección CRL y del costo de medidas de protección CPM es más baja
que el costo de pérdida total sin medidas de la protección CL:
C RL + C PM < C L
NOTA La información detallada sobre la evaluación de la conveniencia económica de la protección contra rayo se
describe en la norma 4552-2.
7.
MEDIDAS DE PROTECCIÓN
Las medidas de protección se pueden adoptar para reducir el riesgo según el tipo de daño.
7.1
MEDIDAS DE PROTECCIÓN PARA REDUCIR LESIONES EN SERES VIVOS
CAUSADAS POR TENSIONES DE PASO Y CONTACTO.
Las posibles medidas de protección son:
-
Adecuado aislamiento de piezas conductoras expuestas.
-
Equipotencialización por medio de un sistema de puesta a tierra.
-
Restricciones físicas y avisos de prevención.
14
NORMA TÉCNICA COLOMBIANA
NOTA
NTC 4552-1
La equipotencialización no es efectiva contra tensiones de contacto.
NOTA Un aumento de la resistencia superficial del suelo dentro y fuera de la estructura puede reducir el peligro
para la vida.
7.2
MEDIDAS DE PROTECCIÓN PARA REDUCIR DAÑOS FÍSICOS
Las posibles medidas de protección son:
a)
para estructuras
-
El Sistema integral de protección contra rayos (SIPRA)
NOTA Cuando un SIPRA está instalado, la equipotencialización es una medida muy importante para
reducir peligro: de perder la vida, de incendio y de explosión. Para más detalle vea la publicación en la
NTC 4552-3.
NOTA Se pueden reducir daños físicos si se usan elementos que limitan el desarrollo y la propagación del
fuego tal como compartimientos, extintores, hidrantes, instalaciones incombustibles, alarmas contra
incendio e instalaciones extintoras de fuego.
NOTA
b)
7.3
Rutas de evacuación seguras proporcionan protección al personal.
para acometidas
-
Conductor blindado
NOTA
Para cables enterrados una protección muy eficaz es dada mediante los ductos metálicos.
MEDIDAS DE PROTECCIÓN PARA REDUCIR FALLAS EN SISTEMAS ELÉCTRICOS
Y ELECTRÓNICOS
Las posibles medidas de protección son:
a)
para estructuras
El sistema de protección contra IER (SPIER) es un conjunto de las siguientes medidas
que pueden ser usadas solas o en combinación:
b)
-
Dispositivos de protección contra sobretensiones (DPS) en el punto de entrada de
las líneas que incorporan la estructura y en las instalaciones internas,
-
Protectores magnéticos en la estructura y/o en las instalaciones de la estructura
y/o en las líneas que incorporan la estructura,
-
Establecer rutas adecuadas del cableado interno en la estructura.
-
Conexión a tierra y unión de conductores
para acometidas
-
Dispositivos de protección contra sobretensiones (DPS) a lo largo de la acometida
y en la terminación de línea;
-
Apantallamientos magnéticos de cables.
NOTA
Para cables enterrados, una protección muy eficaz es una continua pantalla metálica de
calibre adecuado.
15
NORMA TÉCNICA COLOMBIANA
7.4
NTC 4552-1
NOTA
Circuitos auxiliares, equipo redundante, sistemas de autoabastecimiento energético,
sistemas continuos de energía, sistemas de almacenamiento de agua, sistemas
automáticos de detección de falla son medidas de protección eficaces para reducir la
pérdida de actividad de algún servicio.
NOTA
Un incremento de la tensión disruptiva del aislamiento del equipo y de los cables es una
medida eficaz de protección contra fallas causadas por sobretensiones.
SELECCIÓN DE MEDIDAS DE PROTECCIÓN
La selección de medidas de protección más convenientes será hecha por el diseñador y el
propietario de la estructura según la cantidad y el tipo de cada clase de daño, y según los
aspectos técnicos y económicos de las diversas medidas de protección.
Los criterios para la evaluación del riesgo y para la selección de las medidas más convenientes
de protección se describen en la NTC 4552-2.
Las medidas de protección son eficaces bajo la condición de que se efectúen con los requisitos
de normas apropiadas y acorde a las reglamentaciones vigentes, además de que puedan
soportar el esfuerzo disruptivo esperado en el lugar de su instalación.
8.
CRITERIOS BÁSICOS PARA LA PROTECCIÓN DE ESTRUCTURAS Y ACOMETIDAS
Una protección ideal para las estructuras y para las acometidas sería encerrando el objeto a
proteger dentro de un blindaje perfecto (Jaula de Faraday), un conductor continuo conectado a
tierra de calibre adecuado, y que proporcione conexión adecuada a las acometidas que
incorporan la estructura en el punto de acción de dicho blindaje. Esto prevendría la penetración
de la corriente de rayo y del campo electromagnético al objeto protegido, mitigando efectos
térmicos y electrodinámicos perjudiciales de la corriente, así como tensiones disruptivas
(formación de chispas) y sobretensiones peligrosas para los sistemas eléctricos y electrónicos.
En la práctica la protección solamente se puede acercar a esta solución ideal porque, en los
casos reales, la estructura o la acometida no se pueden incluir en un blindaje perfecto y/o
continuo de calibre adecuado. La carencia de continuidad del blindaje y/o un calibre inadecuado
permiten que la corriente de rayo penetre el blindaje, causando:
-
Daños físicos y peligro de muerte
-
Falla de sistemas internos
-
Falla del servicio y de los sistemas conectados.
Las medidas de protección, adoptadas para reducir tales daños y sus respectivas pérdidas, serán
diseñadas según el sistema de parámetros de la corriente de rayo contra los cuales se requiere
la protección (nivel de protección contra rayo NPR).
8.1
NIVELES DE PROTECCIÓN CONTRA RAYO (NPR)
Para propósitos de esta norma, se introducen cuatro niveles de protección contra rayo (I a IV).
Para cada nivel (NPR) se genera un sistema fijo de parámetros máximos y mínimos de corriente
de rayo.
NOTA Las protecciones contra el rayo cuyos parámetros, máximo y mínimo, de la corriente de rayo excedan el
nivel I (NPR I) no se consideran en esta norma.
16
NORMA TÉCNICA COLOMBIANA
NTC 4552-1
NOTA La probabilidad de ocurrencia de rayo cuyos parámetros, máximo y mínimo, de la corriente de rayo excedan
el nivel I (NPR I) es menor del 2 %.
Los valores máximos de los parámetros de la corriente de rayo a nivel I (NPR I) no serán
excedidos, con una probabilidad de 99 %. De acuerdo con la proporción de la polaridad (véase el
numeral A.2), los valores tomados para descargas positivas tendrán probabilidades por debajo de
10 %, mientras que para descargas negativas permanecerán debajo de 1 % (véase el numeral A.3).
Los valores máximos de los parámetros de corriente de rayo del nivel I (NPR I) se reducen a 75 %
para el nivel II ya 50 % para los niveles III y IV (lineal para I, Q y di/dt, pero cuadrático para W/R).
Los parámetros del tiempo no cambian.
Los valores máximos de los parámetros de corriente de rayo para diversos niveles de
protección contra rayo (NPR) se muestran en la Tabla 5, y son usados para diseñar los
componentes de la protección (ej. sección transversal de los conductores, grueso de las hojas
de metal, capacidad de corriente del DPS, distancia de separación contra disrupciones
peligrosas) y para definir los parámetros de la prueba que simula los efectos del rayo en estos
componentes (véase el Anexo D).
Tabla 5. Valores máximos de parámetros del rayo de acuerdo con el NPR
Primera descarga corta
Parámetro
NPR
Símbolo
Unidad
I
II
Corriente pico
III
IV
I
KA
200
150
100
Carga corta
Qcorta
C
100
75
50
Energía específica
W/R
kJ/Ω
10 000
5 625
2 500
Símbolo
Unidad
I
II
I
KA
54
40,5
27
120
90
60
Descarga corta subsecuente
Parámetro
Corriente pico
NPR
Pendiente Promedio
di/dt
kAµs
Parámetros de tiempo
T1/T2
µs/µs
NPR
Símbolo
Unidad
I
II
Carga larga
Qlarga
C
100
75
Parámetro de tiempo
Tlargo
s
Símbolo
Unidad
I
II
Qrayo
C
300
225
Carga
III
IV
50
0,5
Rayo
Parámetro
IV
0,4/50
Descarga larga
Parámetro
III
NPR
III
IV
150
Los valores mínimos de amplitud de la corriente de rayo para los diversos niveles (NPR) se
utilizan para derivar el radio de la esfera rodante (véase el numeral A.4) en función de definir la
zona de protección contra rayo, que no se puede alcanzar por descarga directa (véase el
numeral 8.2, Figura 2 y Figura 3). Los valores mínimos de los parámetros de la corriente de
rayo junto con el radio relacionado de la esfera rodante se dan en la Tabla 6. Estos se utilizan
para posicionar los bornes aéreos y para definir la zona ZPR 0B de la protección contra rayo
(véase el numeral 8.2).
17
NORMA TÉCNICA COLOMBIANA
NTC 4552-1
Tabla 6. Valores mínimos de parámetros del rayo relativos al radio de la esfera rodante
correspondiente a cada NPR
Criterio de interceptación
NPR
Símbolo
Unidad
I
II
III
IV
Corriente pico mínima
I
kA
17
21
26
30
Radio esfera rodante
R
m
35
40
50
55
NOTA
Estas corrientes están basadas con las probabilidades de zona tropical (véase el Anexo A).
NOTA El procedimiento de obtención de estos radios para zona tropical esta descrito en el numeral A.4 de esta
norma.
NOTA El diseñador es libre de usar cualquier radio de la esfera, siempre y cuando estos sean inferiores a los
mostrados en la Tabla 6.
Para las distribuciones estadísticas dadas en la Figura A.5, la probabilidad ponderada puede
ser determinada de tal manera que los parámetros de corriente de rayo sean menores que los
valores máximos y respectivamente mayores que los valores mínimos definidos para cada nivel
de la protección (véase la Tabla 7).
Tabla 7. Probabilidades para los límites de los parámetros del rayo
Probabilidad que los parámetros sean
NPR
I
II
III
IV
Menores que el máximo definido en la Tabla 5
0,99
0,98
0,97
0,96
Mayores que el mínimo definido en la Tabla 6
0,99
0,97
0,91
0,84
Las medidas de protección contra el rayo especificadas en la serie NTC-4552 son eficaces
para los parámetros de corriente que se encuentren en el rango definido por el NPR asumido
para el diseño. Por lo tanto la eficiencia de una medida de protección es asumida como igual a
la probabilidad con la cual los parámetros de la corriente de rayo están dentro de dicho rango.
8.2
ZONAS DE PROTECCIÓN CONTRA RAYO (ZPR)
Las zonas de protección contra rayos ZPR son un concepto tomado de la teoría de
compatibilidad electromagnética.
Las protecciones aguas abajo de la ZPR se caracterizan por una reducción significativa del IER,
que pueda existir aguas arriba de la ZPR.
Con respecto a la protección contra el rayo se definen las siguientes ZPR (Figura 2 y Figura 3):
-
ZPR 0A
Expuesto a impactos directos del rayo. La Corriente y el campo magnético del
rayo no son amortiguados.
-
ZPR 0B
Protegido contra impactos directos de rayo. La corriente parcial o inducida del
rayo y el campo magnético no son amortiguados.
-
ZPR 1
Protegido contra impactos directos del rayo. La corriente parcial o inducida del
rayo y el campo magnético son amortiguados.
-
ZPR 2
n
Como la ZPR 1 pero el campo magnético es más amortiguado.
18
NORMA TÉCNICA COLOMBIANA
NTC 4552-1
NOTA En general, cuanto más alto es el número de la zona individual, más bajos son los valores de los
parámetros electromagnéticos del ambiente.
Como regla general para la protección, el objeto protegido estará en una ZPR cuyas
características electromagnéticas sean compatibles con la capacidad del objeto para soportar el
esfuerzo causa del daño a reducir (daños físicos, fallas de los sistemas eléctricos y electrónicos
debidas a sobretensiones).
NOTA Para muchos sistemas eléctricos y electrónicos y otros dispositivos, la información sobre el nivel disruptivo
puede ser suministrada por el fabricante.
Para los DPS el diseñador podrá utilizar los lineamientos contenidos en la norma técnica
colombiana vigente, o los documentos normativos ANSI IEEE C 62.41-1, -2: 2002 e lEC 62305-4.
8.3
PROTECCIÓN DE ESTRUCTURAS
8.3.1
Protección para reducir daños físicos y riesgos de perder la vida
La estructura protegida estará dentro de un ZPR 0B o mayor. Esto se alcanza por medio de un
sistema integral de protección contra rayo (SIPRA).
Los SIPRA consisten en sistemas externos e internos de protección contra rayo y,
adicionalmente, medidas de seguridad y protección personal contra rayo (Véase la Figura 2).
S1
ZPR 0 A
Sistema de
interceptación
Estructura
S3
Servicio
entrando
s
Sistema de
bajantes
DPS 0 A/1
r
r
ZPR 1
s
S4
S2
ZPR 0 B
Servicio
entrando
ZPR 0 B
DPS A/1
Sistema de tierra
S1 Impacto a la estructura
S2 Impacto cerca de la estructura
S3
S4
r
s
Impacto en servicio entrando a la estructura
Impacto cerca servicio entrando a la estructura
Radio esfera rodante
Distancia separación contra peligros de impacto
Barraje equipotencial de rayos (DPS)
ZPR 0 A Impactos directos, corriente total del rayo
ZPR 0 B
No impactos directos, corriente parcial de rayo o corriente inducida
ZPR 1
No impactos directos, corriente parcial de rayo a corriente inducida
Volúmen protegido dentro de ZPR 1 tiene que respetar
distancia de separación s
Figura 2. Zonas de protección contra rayos ZPR definidas para un SIPRA (NTC 4552-3)
19
NORMA TÉCNICA COLOMBIANA
NTC 4552-1
S1
Estructura
apantallada
por ZPR 1
ZPR 0 A
S3
Servicio
entrando
DPS 0 A/1
DPS 12
s
S4
DPS 0 B/1
ZPR 0 B
ZPR 1
r
Sistema de
interceptación
Sistema de
bajantes
Cuarto
apantallado
por ZPR 2
r
ds
ds
ZPR 2
DPS 12
ZPR 0 B
S2
ZPR 0 B
DPS 0 A/1
Servicio
entrando
Sistema de tierra
1
2
3
4
5
6
Estructura apantallada por ZPR1
Sistema de Interceptación
Sistema de bajantes
Puesta a Tierra
Cuarto apantallado por ZPR2
Servicio entrando
S1
S2
S3
S4
r
ds
Impacto a la estructura
Impacto cerca de la estructura
Impacto en servicio entrando a la estructura
Impacto cerca servicio entrando a la estructura
Radio esfera rodante
Distancia de seguridad a muy altos campos magnéticos
Barraje equipotencial de rayos (DPS)
ZPR 0A
ZPR 0B
ZPR 1
ZPR 2
Impactos directos, corriente total del rayo
No impactos directos, corriente parcial de rayo o corriente inducida
No impactos directos, corriente parcial de rayo a corriente inducida
Volumen protegido dentro de ZPR 1 y ZPR 2 tiene que respetar distancia de separación ds
Figura 3. Zonas de protección contra rayos ZPR definidas para medidas de protección
contra IER
Las funciones de los sistemas externos son:
-
Interceptar el rayo dirigido a una estructura (con un sistema de captadores)
-
Conducir la corriente de rayo con seguridad a tierra (con un sistema de conductores
bajantes)
-
Dispersar el rayo en tierra (con un sistema de puesta a tierra)
La función de los sistemas de protección internos es prevenir chispas peligrosas dentro de la
estructura, usando una conexión equipotencial o una distancia de separación, s, (por lo tanto
aislamiento eléctrico) entre los componentes de los SIPRA y otros elementos eléctricamente
conductores internos en la estructura.
20
NORMA TÉCNICA COLOMBIANA
NTC 4552-1
Las medidas de seguridad y protección personal contra rayo consisten en una guía de seguridad
personal contra este fenómeno y en casos de instalaciones al aire libre, un sensor de tormentas.
Se definen cuatro tipos de SIPRA (I, II, III, IV) como un sistema de reglas de construcción,
basadas en el NPR correspondiente. Cada sistema incluye un nivel dependiente (ej. radio de la
esfera rodante, ancho del acoplamiento, etc.) y un nivel independiente (ej. secciones
representativas, materiales etc.) de reglas de construcción.
El peligro de perder la vida debido a las tensiones de paso y de contacto, donde la resistencia
superficial del suelo fuera y dentro del piso de la estructura no es suficientemente alta, se
reduce así:
-
Fuera de la estructura, por aislamiento de las partes conductoras expuestas, por
equipotencialización mediante un sistema de malla a tierra, por medio de avisos y
restricciones físicas.
-
Dentro de la estructura, por conexión equipotencial de las acometidas en el punto de
entrada a la estructura.
Los SIPRA se diseñaran con indicaciones de la NTC 4552-3.
8.3.2
Protección para reducir fallas en sistemas internos
La protección contra IER para reducir el riesgo de falla en sistemas internos se limitará a:
-
Sobretensiones causadas por el rayo sobre la estructura, resultado del acople resistivo
e inductivo.
-
Sobretensiones causadas por el rayo cerca de la estructura, resultado del acople
inductivo;
-
Sobretensiones transmitidas por las líneas entrantes, causadas por rayos sobre o cerca
de las líneas.
-
Acople directo del campo magnético con los sistemas internos.
NOTA Los efectos del acople directo del campo magnético con los sistemas internos son menores y pueden ser
despreciados siempre y cuando los aparatos de los sistemas cumplan con lo relevante a las normas de productos
electromagnéticamente compatibles (véase la NTC 4552-2 y la normatividad nacional vigente para protección de
sistemas internos o en su defecto la norma IEC 62305-4 o los documentos normativos IEEE C62.41-1 e
IEEE C62.41-2 o la normatividad UIT serie K).
El sistema interno protegido estará dentro de una ZPR1 o uno más alto. Esto se alcanza por
medio de protectores magnéticos que atenúan el campo magnético inducido y/o por medio de
conexiones adecuadas (trayectos convenientes) del cableado, que reducen el lazo de inducción.
La conexión será proporcionada por los límites de la ZPR para las piezas metálicas y los
sistemas que cruzan los límites que se pueden realizar por medio de conexión de conductores,
cuando son necesarios, por dispositivos de protección (DPS).
Las medidas de protección para la adecuada ZPR se establecen en la normatividad nacional
vigente o en su defecto la norma IEC 62305-4 o los documentos normativos IEEE C62.41-1 e
IEEE C62.41-2 o la normatividad UIT serie K.
21
NORMA TÉCNICA COLOMBIANA
NTC 4552-1
La protección efectiva contra sobretensiones, que causan fallas de sistemas internos, también se
puede alcanzar por medio de un sistema DPS que limita sobretensiones por debajo del impulso
de tensión disruptivo del sistema protegido.
El DPS será seleccionado e instalado según los requisitos de la normatividad nacional vigente o
en su defecto la norma IEC 62305-4 o los documentos normativos IEEE C62.41-1 e
IEEE C62.41-2 o la normatividad UIT serie K.
8.4
PROTECCIÓN DE ACOMETIDAS
Las acometidas estarán protegidas dentro de una:
-
ZPR 0B o mayor, para reducir daños físicos. Esto se alcanza seleccionando un trayecto
subterráneo en vez de uno aéreo o usando un interruptor colocado adecuadamente,
cuando sea efectivo según las características de la línea, o aumentando el calibre de la
tubería a un valor adecuado asegurando su continuidad metálica.
-
ZPR 1 o mayor, para la protección contra sobretensiones que causan fallas de servicio
(en las acometidas). Esto se alcanza reduciendo el nivel de las sobretensiones
inducidas por el rayo, por medio del adecuado blindaje magnético de cables, y/o
dispersando la sobrecorriente y limitando sobretensiones por medio del DPS adecuado.
22
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NTC 4552-1
ANEXO A
(Informativo)
PARÁMETROS DEL RAYO
A.1
RAYOS A TIERRA
Existen dos tipos de descargas eléctricas atmosféricas o rayos:
-
Descargas descendentes iniciadas por un líder descendente nube – tierra.
-
Descargas ascendentes iniciadas por un líder ascendente de una estructura aterrizada
a nube
En territorios planos y estructuras bajas generalmente se presentan descargas descendentes,
mientras que para estructuras altas dominan las descargas ascendentes. Con estructuras altas
la probabilidad de impacto se incrementa (NTC 4552-2 Numeral 6) y cambian las condiciones
físicas.
Un rayo consiste de una o varias descargas (strokes)
-
Descargas de corta duración, menores de 2 ms (véase la Figura A.1)
-
Descargas de larga duración, mayores de 2 ms (véase la Figura A.2)
90%
±i
50%
I
10%
O1
T1
t
T2
O 1 = Origen virtual
I
= Corriente pico
t 1 = Teimpo de frente
t 2 = Tiempo al valor medio
Figura A.1. Definiciones de parámetros de impacto corto (Típicamente T2 < 2 ms)
23
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±i
Q long
10%
10%
T long
t
T long = Tiempo de duración
Q long = Carga de impacto largo
Figura A.2. Definiciones de parámetros para descargas largas (Típicamente 2 ms <Tlong<1s)
Además de las diferentes descargas se debe considerar la polaridad del rayo (negativa o
positiva) y su posición durante la descarga (primera, subsecuente, sobrepuesta). Los posibles
componentes son mostrados en la Figura A.3 para descargas descendentes y en la Figura A.4
para descargas ascendentes.
=i
±i
±i
Primera carga corta
Descarga larga
Positivo o negativo
-i
Positivo o negativo
t
-i
t
-i
-i
Descargas cortas
subsecuentes
Negativo
t
Negativo
Figura A.3. Posibles componentes de descargas descendentes
(Típicas en territorios planos y estructuras bajas)
24
t
NORMA TÉCNICA COLOMBIANA
=i
NTC 4552-1
=i
±i
±i
Descargas cortas
superpuestas
Descarga corta
Primera
descarga larga
Positivo o negativo
-i
Descarga larga
Positivo o negativo
t
-i
-i
t
-i
Descargas cortas
subsecuentes
Negativo
=i
t
Negativo
t
-i
Descarga
larga unica
Positivo o negativo
t
Figura A.4. Posibles componentes de descargas ascendentes
(Típicas para estructuras expuestas y/o altas)
Una componente adicional para las descargas ascendentes es la primera descarga de larga
duración (o simplemente descarga larga) sin o con hasta 10 descargas cortas sobrepuestas.
Todos los parámetros de las descargas ascendentes son menores que los de las descargas
descendentes. Sin embargo, no esta confirmado que exista una carga mayor para descargas
ascendentes. Por consiguiente, los parámetros del rayo para descargas ascendentes se
consideran cubiertos por los valores máximos tomados de las descargas descendentes. Una
evaluación más precisa de los parámetros del rayo y su alta dependencia con respecto a
descargas descendentes y ascendentes esta bajo consideración.
A.2
PARÁMETROS DEL RAYO
Los parámetros del rayo en esta norma están basados en los resultados de investigaciones
realizadas en países tropicales como Brasil, Colombia y datos del CIGRE, dados en la Tabla A.1.
Su distribución estadística puede ser asumida como una distribución log-normal. El
correspondiente valor de la media (µ) y la desviación estándar (σ log ) están dados en la Tabla A.2
y la función de distribución se muestra en la Figura A.5 Con base en estos supuestos, puede ser
determinada la probabilidad de ocurrencia de cualquier valor de cada parámetro.
25
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NTC 4552-1
Tabla A.1. Valores tabulados de parámetros del rayo tomados de
mediciones de Brasil y Colombia [2], [16]
Parámetro
I (kA)
Qrayo (C)
Magnitud del
parámetro
para NPRI
95 %
24
7
4,6
50 %
45,3
16,3
35
5%
85,2
37,7
250
20
20
2,3
0,15
2
26
0,5
25
11,9
10,1
0,2
80
5,2
0,99
16
107
6,3
650
19,4
29,9
2,4
190
8,1
24,7
75
200
300
Qcorta (C)
100
W/R (kJ/Ω)
100 00
di/dtmáx
(kA/µs)
di/dt30/90 %
(kA/µs)
Duración del
frente (µs)
Duración de la
cola (µs)
Intervalo del
tiempo (ms)
Duración total
de la descarga
(ms)
Magnitud probabilística del
parámetro
3,1
0,2
3,5
19,7
2,2
25
20
14
5,6
0,7
22
53,5
16,4
230
120
64
85
Tipo de descarga
Denominación
CIGRE y
referencia
350
11,6
6,6
150
444
78,9
15 000
31,4
88,6
32
1a Desc. Neg. Corta
Desc. Sub. Neg. Corta
Descarga Pos. Corta
Rayo negativo
Rayo positivo
1a Desc. Neg. Corta
Desc. Sub. Neg. Corta
1a Desc. Pos
a
1 Desc. Neg. Corta
Desc. Sub. Neg. Corta
1a Desc. Pos. Corta
1a Desc. Neg. Corta
Desc. Sub. Neg. Corta
1a Desc. Pos. Corta
(4)
(6)
(6)
(4)
(6)
(6)
(4)
TAN G, (6)
TAN G, (6)
(4)
75
Desc. Sub. Neg. Corta
S-30, (6)
a
9,9
2,3
200
145,2
122,3
2 000
1 Desc. Neg. Corta
Desc. Sub. Neg. Corta
1a Desc. Pos. Corta
1a Desc. Neg. Corta
Desc. Sub. Neg. Corta
a
1 Desc. Pos.
300
Múltiples Descargas Neg.
500
Descargas Neg. (todas)
Descarga Neg. (Sin simple)
Descarga Pos.
(6) (2)
PEAK, (6)
(4)
T10 (6)
T10 (6)
(4)
(6)
(6)
(4)
(2) (5)
(3)
(4)
(1)
Cherchiglia et., al. “Lightning Program Carried out by Compañía Energetica de Minas Gerais CEMIG”
Conference Proceedings Ground 98, Belo Horizonte, Brazil, 1998.
(2)
Torres, H. “El Rayo, mitos, leyendas, ciencia y tecnología”, Editorial UNIBIBLOS, Bogotá, Colombia,
2002.
(3)
Mello, J.C., et., al. “Enhancement of Morro do Cachimbo Station facilities for measurement of lightning
currents” Conference Proceedings, Ground 2000, Belo Horizonte, Brazil, 2000.
(4)
Se toman los valores de CIGRE (Electra No. 41 o No. 69) por no existir mediciones confiables de
parámetros de polaridad positiva en zona tropical. Existen datos de redes de localización de rayos pero la
ecuación utilizada para el cálculo de corriente por esta tecnología esta condicionada a los valores de
CIGRE. Estas redes no entregan datos de di/dt. La investigación sobre estos datos para zona tropical se
encuentra en progreso.
(5)
Younes C. “Evaluación de Parámetros del Rayo con Mediciones Terrestres y Satelitales para Colombia”
Tesis de Maestría, UN Bogotá, 2002. (Item III.4).
(6)
Schroeder, M.A. “Modelo Eletromagnético Para Descontaminação De Ondas De Corrente De descargas
Atmosféricas: Aplicação Às Medições da Estação do Morro do Cachimbo” Tesis de Doctorado, U Federal
Minas Gerais, Brasil, 2001
26
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NTC 4552-1
Tabla A.2 Distribución log-normal de los parámetros del rayo.
Valores medios y dispersión calculados para 95% y 5%
Parámetros
Media
μ
45,3
I (kA)
Qrayo (C)
Qcorta (C)
W/R kJ / Ω
Desviación
estándar
σlog
Tipo de descarga
Línea en
la Figura
A.5
0.39
Primera descarga negativa corta
1
16,3
0,51
Descarga subsecuente negativa corta
2
33.9
0.527
Primera descarga positiva corta
3
Rayo negativo
83.7
0.378
Rayo positivo
5
5,2
0.50
Primera descarga negativa corta
6
0,99
1,15
Descarga subsecuente negativa corta
7
17.3
0.570
Primera descarga positiva corta
8
107
0.88
Primera descarga negativa corta
9
6,33
1,54
Descarga subsecuente negativa corta
10
612
0.844
Primera descarga positiva corta
11
19,4
0,29
Primera descarga negativa corta
12
29,9
0,66
Descarga subsecuente negativa corta
13
2.53
0.670
Primera descarga positiva corta
14
di / dt30 / 90 %
24,7
0.68
Descarga subsecuente negativa corta
15
(kA/us)
Qlarga (C)
200
Descarga larga
Tlong (s)
0,5
Descarga larga
Duración inicial
(frente)
(us)
5.6
di/dtmax
(kA/us)
Duración de la
cola
(us)
0.36
Primera descarga negativa corta
0,7
0,74
Descarga subsecuente negativa corta
26.5
0.534
Primera descarga positiva corta
53,5
0,62
Primera descarga negativa corta
16,4
1,23
Descarga subsecuente negativa corta
224
0.578
Primera descarga positiva corta
Intervalo de
tiempo
(ms)
Duración total
del rayo
(ms)
NOTA
Múltiples descargas negativas cortas
Rayo negativo (todos)
Rayo negativo
83,7
0,472
Rayo positivo
Los tipos de descarga que no tienen valor alguno es debido a que no se tienen valores medidos.
La amplitud de la corriente de retorno de la descarga eléctrica atmosférica es frecuentemente
referida como el parámetro más importante para aplicaciones en ingeniería.
La descarga de retorno (o return stroke en inglés) es la etapa del fenómeno que tiene mayor
aplicación en la ingeniería del diseño y protección de sistemas eléctricos y electrónicos, ya que
presenta las mayores magnitudes de corriente eléctrica entre el centro de carga de la nube y
tierra.
27
Probabilidad
NORMA TÉCNICA COLOMBIANA
NTC 4552-1
100
99,9
99,5
90
99
98
80
95
2
90
70
10
12
8
80
13
60
70
14
60
1
50
50
9
40
7
30
40
11
5
20
15
30
10
6
5
20
3
2
110
0,5
0,2
0
0,1
0,1
2
3 4
0
6 8 10
1
2
3 4
1
6 8 10
10
2
3 4
2
6 100
8 10
2
3 4
3
6 1000
8 10
2
3 4
4
610000
8 10
2
3 4
5
6100000
8 10
Valor del parámetro
Figura A.5. Distribución de frecuencia acumulada de parámetros del rayo (líneas para valores entre 95 % y 5%)
28
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Registros de magnitud de corriente negativa de retorno del rayo para un área tropical son
presentados por Lee et al. (1979) [7]. Las mediciones se realizaron en Kuala Lumpur, Malasia,
por medio del método de antena aérea en campo abierto. En esta investigación se desarrolló
un modelo teórico para la obtención de las corrientes de la primera descarga de retorno del
rayo, a partir de los datos de campo magnético obtenidos; en total se registraron 194 medidas
de campo magnético de la primera descarga de retorno de los rayos presentes en 11
tormentas. Con base en estos datos se estableció la distribución de probabilidad acumulada del
valor pico de la corriente de retorno del rayo, y se obtuvo que existe una probabilidad del 50%
de que se presente un valor de corriente pico mayor a 36 kA; así mismo, la rata de ascenso de
la corriente, obtenida entre el 10 % y el 90 % del valor pico, es típicamente entre 4 y 6 kA/µs
para esta zona.
Posteriormente, Lee et al., realizaron una comparación de los resultados obtenidos, con base
en la distribución de probabilidad acumulada, de Kuala Lampur, con mediciones de otras partes
del mundo; en la Tabla A.3 se muestran las medianas del valor pico de corriente para estas
investigaciones. De acuerdo con esta comparación Lee et al concluyen que, en general, existe
una buena concordancia entre los resultados, aunque las medidas fueron hechas por diferentes
métodos. En particular se presenta bastante concordancia entre los resultados obtenidos en
Malasia y los obtenidos por Anderson en Rodesia (actualmente Botswana en África central),
regiones tropicales con características climáticas y geográficas similares.
Tabla A.3. Medianas del valor pico de la corriente de retorno del rayo en diferentes
zonas del planeta (Adaptado de Lee et. Al. 1979)
País
1)
2)
Estados Unidos
Suiza
Suecia
Polonia
Malasia
Brasil
Rodesia
Colombia
Monte cachimbo, minas Gerais, Brasil 1996
Mediana
(kA)
23
30
30
31
36
43
42
43
Valor estimado mediante mediciones de campo eléctrico a menos de
100 km y aplicando el modelo MTL. [1]
Los datos de Brasil son el resultado de mediciones realizadas desde 1985 en la estación de
investigación Cachimbo, localizada 15 km al sur de Belo Horizonte, capital del estado de Minas
Gerais. Esta estación consta de una torre de 60 m localizada en la punta de un cerro a una
altitud de 1 400 m sobre nivel del mar. La adquisición de los datos se hace, a través de
transformadores de corriente cuyas señales son digitalizadas y luego registradas mediante
2 osciloscopios digitales. Los datos analizados para esta norma corresponden a 79 descargas
registradas entre 1985 y 1999 cuyo resumen se presentan en la Tabla A.4 [3-5].
Los datos de mediciones en Colombia corresponden a estudios realizados con diferentes
métodos de medición. La amplitud de la corriente de rayo se estimó mediante mediciones de
campo eléctrico vertical llevadas a cabo en 1995 [9], por medio de una antena de placas
paralelas, previamente calibradas en laboratorio empleando un osciloscopio digital de alta
resolución y equipo de medición asociado. Estos datos fueron comparados con los registrados
por el sensor de tormentas TSS-420 en operación en las instalaciones de la Universidad
Nacional en Bogotá. La distancia de impacto se calculó mediante la información suministrada
por la red colombiana de localización de rayos RECMA, [1].
29
NORMA TÉCNICA COLOMBIANA
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Tabla A.4. Características de rayos medidos en Cachimbo, Brasil
Número total de rayos registrados
79
Número promedio de rayos por año
7
Incidencia de descargas negativas
64 (81 %)
Incidencia de descargas positivas
13 (16,5 %)
Descargas con polaridad indefinida
2 (2,5 %)
Descargas descendentes observadas (confirmadas)
33 (41,8 %)
Incidencia de descargas negativas descendentes
31 (39,2 %)
Incidencia de descargas positivas descendentes
2 (2,5 %)
La evaluación de los otros parámetros para Colombia es el resultado de análisis de los datos
de la red colombiana de localización de rayos RECMA, en operación desde 1997, [1], [2].
La Figura A.6 muestra resultados de probabilidad comparativos entre los valores dados por
CIGRE en 19791 de registros tomados en latitudes no tropicales, y los estimados en cuatro
países tropicales: Brasil (Estación Cachimbo, Estado de Minas Gerais, 1996), Rodesia
(Anderson, et. al., 1954), Malasia (Lee, et. al, 1979) y Colombia (Torres, et. al., 1995). Esta
gráfica permite ver la mayor probabilidad de magnitud de corriente negativa de retorno de rayo
en Zonas Tropicales (Brasil, Malasia, Colombia y Rodesia), respecto a zonas no tropicales
(CIGRE).
100,0%
Probabilidad
80,0%
60,0%
40,0%
20,0%
0,0%
1
10
Corriente pico de la descarga [kA]
100
CIGRE (1979)
PAAS, Colombía (1995)
Cachimbo, Brazil (1993)
Anderson, Rhodesia (1954)
Lee, Malaysia (1979)CIGRE (1979)
Figura A.6. Curva de probabilidad acumulada de corriente de retorno negativa, comparativas entre países
ubicados en zonas templadas (CIGRE) y ubicados en zonas tropicales
La relación de polaridad es una función del territorio considerado. Esta información para el caso
colombiano se presenta en la Figura A.7 y Figura A.8.
1
Valores que aún siguen vigentes en todo el mundo, para aplicaciones en ingeniería
30
NORMA TÉCNICA COLOMBIANA
NTC 4552-1
80
67,28
70
Porcentaje [%]
60
50
40
32,72
30
20
10
0
Positivas
Negativas
Polaridad
Figura A.7. Distribución de polaridades promedio multianules (1997 – 2001) para
el territorio Colombiano
100
89,9
Porcentaje [%]
90
84,2
76,9
80
73,7
70,5
68,8
70
60,0
60
50
40,0
40
31,2
26,3
30
29,5
23,1
15,8
20
10,1
10
Positivos
Barranquilla
Magangue
Nechi
El Bagre
Pto. Berrio
Samana
Bogotá
0
Negativos
Figura A.8 Distribución de polaridades promedio multianules (1997 – 2001) para
algunas ciudades Colombianas
La polaridad de una descarga eléctrica atmosférica para un área considerada (aspecto
espacial), puede también afectar la estrategia de una óptima protección contra rayos. Desde
las mediciones realizadas por Berger en las décadas del 1950 a 1970, en Monte San Salvatore
(Italia - Suiza), se ha establecido que la distribución promedia de la polaridad de una descarga
eléctrica atmosférica varía entre 90 % y 95 % para polaridad negativa y entre 5 % y 10 % para
polaridad positiva.
31
NORMA TÉCNICA COLOMBIANA
NTC 4552-1
Sin embargo, resultados de mediciones en diferentes redes de localización de rayos, como por
ejemplo la NLDN2 de los Estados Unidos, muestran que una considerable proporción de
descargas en época de invierno son de polaridad positiva. De los análisis de resultados con
antenas de detección de rayos, tipo DF (direction finding), en la Costa Este de los Estados
Unidos, Orville (1987), reportó un cambio de polaridad en las descargas, como función de la
temporada, con dominio de la polaridad positiva en la temporada de invierno. Orville también
reportó un incremento en la mediana de la corriente pico de retorno del rayo para esta
temporada [1].
Sugimoto et. al., en 1994, presentan mediciones de Corriente de Retorno del Rayo durante el
invierno en Japón, siendo este el período cuando la actividad de rayos es más severa,
encontrando una relación cercana de uno a uno entre las descargas negativas y las positivas,
pero ninguna diferencia estadística notable en las magnitudes de corriente.
Uman en su libro Lightning Discharge (p.54) [6] sostiene que las condiciones que favorecen la
aparición de Rayos de polaridad positiva son aparentemente grandes elevaciones, climas fríos,
latitudes altas y tormentas severas. Sin embargo, en los más de diez años de observaciones
realizadas con la antena TSS 420 por el grupo PAAS-UN de la Universidad Nacional de
Colombia y con la Red Colombiana de Localización de Rayos RECMA, se ha encontrado que
los rayos de polaridad positiva dependen no solamente de condiciones espaciales como
elevación, clima y latitud, sino de condiciones temporales como hora diaria de presentación de
la tormenta y periodo del año [1].
Con base en los datos de la RECMA, que cubre la región central colombiana, se puede
reportar que algunas zonas experimentan cambios de polaridad como función del tiempo,
medido en meses, mientras que en otras la proporción de descargas negativas - positivas,
permanece inalterable durante el año. Es así como se encontró, por ejemplo, que para la
población de Nechí, la fracción de descargas positivas varía de 0 % en enero a 95 % en junio
en el año 2000, respecto al total de descargas [2].
Mediante los datos multianuales del sensor TSS 420 se han realizado trabajos de evaluación
de la polaridad para diferentes zonas y durante varios años. Si bien, en general el
comportamiento de la zona central colombiana se caracteriza por una distribución típica de
polaridad 95 % negativas, 5 % positivas, se ha encontrado que en la zona sur del
departamento de Cundinamarca, límites con los departamentos de Tolima y Huila, la proporción
de polaridad varía en el tiempo [1].
NOTA
El valor de los parámetros del rayo ha sido obtenido, generalmente, de mediciones en objetos altos (torres
instrumentadas) y sistemas de localización de rayos. La distribución estadística de los valores de la corriente pico del
rayo no considera el efecto de tales torres (descontaminación).
A.3
PARÁMETROS MÁXIMOS DEL RAYO PARA NIVEL I DE PROTECCIÓN CONTRA
RAYOS - NPR I
Los efectos mecánicos del rayo se relacionan con el valor pico de la corriente (I) y la energía
específica (W/R). Los efectos térmicos se relacionan con la energía específica (W/R) cuando se
presenta acople resistivo y con la carga (Q) cuando se presenta arco en la instalación.
Sobretensiones y arcos peligrosos causados por acoples inductivos están relacionados con el
valor medio de la pendiente de la corriente del rayo (di/dt).
2
Lightning Detection Network
32
NORMA TÉCNICA COLOMBIANA
NTC 4552-1
Cada uno de estos parámetros (I, Q, W/R, di/dt) tiende a dominar en cada mecanismo de falla.
Esto debe tenerse en cuenta al establecer los procedimientos de prueba.
A.3.1 Primera descarga corta y descarga larga
Los valores de I, Q, W/R que se relacionan con efectos mecánicos y térmicos, se determinan a
partir de las descargas positivas (debido a que sus valores de 10 % son mucho mayores que los
correspondientes al 1 % de los valores de las descargas negativas). De la Figura A.5 (líneas 3, 5,
8, 11 y 14) se pueden asumir los siguientes valores con probabilidad menor del 10 %, así:
I
=
200 kA
Qflash
=
300 C
Qcorto
=
100 C
W/R
=
10MJ/Ω
di/dt
=
20kA/µs
Para un primer impacto de rayo, de acuerdo con la Figura A.1, estos valores dan una primera
aproximación para el tiempo de frente:
T1 = I (di / dt ) = 10 µs
Para un impacto de rayo decayendo exponencialmente, la siguiente ecuación aplica para un valor
de carga y energía (T1 << T2).
Qcorto =
W R =
1
* I * T2
0,7
1
1
*
* I 2 * T2
2 0,7
(A.1)
(A.2)
Estas ecuaciones, junto con los valores dados arriba, dan una primera aproximación para el valor
del tiempo al 50 %:
T2 = 350 µs
(A.3)
Para descargas de larga duración, su carga puede ser calculada aproxidamente de:
Qlarga = Qflash - Qcorto = 200 C
(A.4)
Su tiempo de duración, de acuerdo con la Figura A.2, puede ser estimado del tiempo de duración
de la descarga como:
Tlarga = 0,5 s
(A.5)
NOTA
Estos valores han sido tomados de lEC considerando que para zona tropical los parámetros de polaridad
positiva aun no han sido publicados.
33
NORMA TÉCNICA COLOMBIANA
NTC 4552-1
A.3.2 Descargas cortas subsecuentes
El valor máximo del promedio de la pendiente di/dt, que se relaciona con el arco peligroso
causado por acople inductivo, se determina de las descargas cortas subsecuentes negativas
(Debido a que el 1 % de sus valores son mucho mayores que las primeras descargas negativas o
el correspondiente valor 10 % de las descargas positivas). De la Figura A5 (líneas 2 y 15) se
puede tomar el siguiente valor con probabilidad menor del 1 %:
I
=
54 kA
(A.6)
di/dt
=
120 kA/µs
(A.7)
Para un impacto corto subsecuente de acuerdo con la Figura A.1, estos valores dan una
primera aproximación para su tiempo de frente:
T1 = I/(di/dt) = 0,4 µs
(A.8)
Su tiempo al valor medio puede ser estimado de la duración de la descarga subsecuente
negativa:
T2 = 50 µs, a partir de datos de energía especifica, distribución log-normal 1 %
A.4
VALORES MÍNIMOS DE LOS PARÁMETROS DEL RAYO
Debido a que los parámetros de la descarga eléctrica atmosférica en zona tropical difieren con
respecto a los de latitudes mayores, fue necesario re-evaluar el radio de la esfera rodante para
propósitos de diseño del sistema de protección externo. Para ello se determinó el valor de la
corriente pico definida por la probabilidad de ocurrencia de valores mínimos para cada NPR
(véanse las Tablas 6 y 7), con base en los parámetros de zona tropical presentados anteriormente.
Aunque tradicionalmente, el radio de la esfera rodante se ha asumido igual que el de la distancia
de impacto aproximada para las corrientes mínimas esperadas en cada NPR, se tuvo en cuenta
que tanto esta distancia como el punto final de impacto directo de la descarga sobre una
estructura dependen de su geometría y dimensiones, y no es el mismo para todos los puntos en
la estructura (esquinas, bordes, techo plano, puntas etc.) [12]-[15]. Por consiguiente, aunque no
es posible establecer valores de distancia de impacto válidos para todos los casos, se puede
implementar la opción más segura para el diseño de la protección externa, determinada por la
distancia de impacto para terreno plano 'S' (sin estructuras). Esta opción brinda mayor seguridad
porque constituye el valor mínimo que puede tomar la distancia de impacto, ya que la presencia
de estructuras en tierra propicia la formación de líderes ascendentes y por consiguiente aumenta
el valor de esta distancia.
Debido a lo anterior, el radio de la esfera rodante se estimó aplicando la expresión propuesta en
el trabajo doctoral [12] para los valores de corriente pico mínima en zona tropical dados en la
Tabla 6 para cada NPR. Dicha expresión es la siguiente:
S = 3,9 Ip 0 ,78
(A.9)
Al comparar los valores de la distancia de impacto para terreno plano ‘S’ con los usados
tradicionalmente para diseño por medio de la expresión St =10 Ip0,65 se encuentran valores
apreciablemente mayores para la expresión tradicional ‘St’, lo cual puede llevar a sobrestimar el
radio de la esfera rodante y como consecuencia diseñar un sistema de protección externo de
menor eficiencia a la deseada.
34
NORMA TÉCNICA COLOMBIANA
NTC 4552-1
Mayores detalles acerca del tema, se pueden encontrar en la referencia [12].
A.5 NIVEL CERAUNICO Y DENSIDAD DE RAYOS A TIERRA
A.5.1 Variación espacial del nivel ceraunico
El NC fue evaluado en áreas de 30 km2 x 30 km2, encontrándose zonas con valores entre 11 d y
289 d tormentosos año. La Figura A.9 muestra la variación de estos valores en la geografía
colombiana para el año 1999.
12,0
60
150
180
90
210
10,0
120
Venezuela
Panamá
210
180
150
240
8,0
250
90
60
6,0
210
180
Latitud
120
240
180
4,0
120
150
90
2,0
90
60
60
60
0,0
Ecuador
60
Brasil
-2,0
30
Perú
-4,0
-78,0
-76,0
-74,0
-72,0
-70,0
-68,0
Longitud
Figura A.9. Mapa de ISO-Niveles ceraunicos para Colombia (Área de 30 km x30 km) – 1999
NOTA Este mapa de ISO-Niveles ceraunicos para Colombia fue elaborado por el convenio Universidad Nacional de
Colombia e Interconexión Eléctrica S.A. ESP, con base en el Sistema de Información de Descargas de ISA S.A. ESP,
en caso de alguna aclaración favor dirigirse a los autores.
35
NORMA TÉCNICA COLOMBIANA
NTC 4552-1
A.5.2 Densidades típicas en Colombia
La evaluación Global de DDT para toda la geografía colombiana se hizo para áreas de 300 km2
x 300 km2., para un total de 1393 km2x900 km2; sus resultados se muestran en la Tabla A.5 y
Figura A.10 Se presentan variaciones en valores desde 0,0012 hasta 11.4, con un valor de
media aritmética de 3 [strokes/km2-año].
Tabla A.5. Actividad de rayos en la geografía colombiana entre 1977-1999.
Área = 1393x900 km2
1997
Total
Strokes
2.875.660
DDT media
2
[strokes/km -año]
2,29
1998
2.828.774
2,25
1999
1.987.061
1,58
2000
1.147.459
0,91
2001
1.888.503
1,5
Año
Respecto a la evaluación Global y considerando los resultados de evaluaciones de diferentes
sitios del mundo, es posible afirmar que la DDT es menos prevalente en el trópico que en el
sub-trópico [11]. Sin embargo, cuando se evalúa regionalmente, en áreas de 30 km2 x30 km2,
se pueden encontrar, en la geografía colombiana (zona tropical), valores de DDT de
35 [strokes/km2-año]. Una evaluación local en áreas menores, de 3 km2 x 3 km2 es el ideal para
propósitos de diseño de sistemas de protección contra rayos. Esta evaluación solo es obtenible a
través de los datos de un sistema de localización de rayos.
14,0
1
12,0
2
1
3
5
10,0
4
Venezuela
2
Panamá
8,0
3
El Bagre
9
7
8
6
5
Latitud
6,0
4
Samaná
3
Bogotá D.C.
4,0
2
1
2,0
0,0
Ecuador
Brasil
-2,0
Perú
-4,0
-78,0
-76,0
-74,0
-72,0
-70,0
-68,0
-66,0
Longitud
Figura A.10. DDT Colombia 1999 (áreas 300 km2 x 300 km2)
36
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Tabla A.6. Densidad de descargas a tierra para algunas ciudades de Colombia
Ciudad
Barranquilla
Cartagena
Corozal
El Banco
Magangue
Montería
Quibdo
Santa Marta
Tumaco
Turbo
Valledupar
Riohacha
Armenia
Barranca
Bogota
Bucaramanga
Cali
Cúcuta
Girardot
Ibagué
Ipiales
Manizales
Medellín
Neiva
Ocaña
Pasto
Pereira
Popayán
Remedios
Villavicencio
Bagre
Samaná
Latitud
Longitud
Densidad
promedio
10,9
10,5
9,3
9,1
9,3
8,8
5,7
11,1
1,8
8,1
10,4
11,5
4,5
7,0
4,7
7,1
3,6
7,9
4,3
4,4
0,8
5,0
6,1
3,0
8,3
1,4
4,8
2,4
7,0
4,2
7,8
5,4
-74,8
-75,5
-75,3
-74,0
-74,8
-75,9
-76,6
-74,2
-78,8
-76,7
-73,3
-72,9
-75,8
-73,8
-74,2
-73,1
-76,4
-72,5
-74,8
-75,2
-77,6
-75,5
-75,4
-75,3
-73,4
-77,3
-75,7
-76,6
-74,7
-73,5
-75,2
-74,8
1
2
3
10
5
2
9
2
1
5
2
2
2
7
1
1
1
1
5
2
1
2
1
1
2
1
4
1
12
1
12
9
37
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ANEXO B
(Informativo)
FUNCIONES DE LOS PARÁMETROS DEL RAYO PARA PROPÓSITOS DE ANÁLISIS EN EL
DOMINIO DEL TIEMPO
Las formas de onda de corriente (T1 /T2) para:
-
La primera descarga 10/350 µs
-
Las descargas subsecuentes cortas 0,4/50 µs
Pueden ser definidas como:
i=
5
I (t / τ1 )
.exp(− t / τ 2 )
.
k 1 + (t / τ1 )5
(B.1)
en donde
I
=
corriente pico (kA).
k
=
factor de corrección para la corriente pico.
t
=
tiempo (µs).
τ1
=
constante de tiempo de frente (µs).
τ2
=
constante de tiempo de cola (µs).
Los parámetros dados en la Tabla B.1 aplican para la forma de onda de la primera descarga y
la descarga subsecuente corta, para diferentes NPR. Las curvas analíticas se muestran en la
Figura B.1 y la Figura B.2.
Las descargas largas pueden ser descritas por formas de onda rectangulares con una corriente
promedio I y una duración Tlargo de acuerdo con la Tabla 5.
La densidad de amplitud de la corriente de rayo (Figura B.3) puede ser derivada de las curvas
analíticas.
Tabla B.1. Parámetros para la ecuación B.1
Parámetros
Primera descarga
Descargas subsecuentes
NPR
NPR
I
II
III-IV
I
II
III-IV
I (kA)
200
150
100
75
56
38
k
0,941
0,941
0,941
0,981
0,981
0,981
τ2 (μs)
9,43
9,43
9,43
0,354
0,354
0,354
471
471
471
70,45
70,45
70,45
τ1 (μs)
38
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NTC 4552-1
100 %
90 %
i
50 %
10 %
0%
t
T1
T2
Figura B.1. Forma de onda de la pendiente de la descarga de corriente
100 %
i
50 %
50 %
0%
t
T2
Figura B.2. Forma de onda de la cola de la descarga de corriente
39
NORMA TÉCNICA COLOMBIANA
NTC 4552-1
10 ³
4
(A/Hz)
10 ²
2
4
10 ¹
3
1
10 º
10 ¹
4
10 ²
10 ³
10 ¹
10 º
10 ¹
10 ²
10 ³
10 4
10 5
10 6
f
1
2
3
4
Descarga larga
400 A
Primera descarga
200 kA
Descargas subsecuentes
50 kA
Curva envolvente
10 7
(Hz)
0,5
10/350 μs
0,25/100 μs
Figura B.3. Densidad de la amplitud de la corriente de rayo para un NPR I
40
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ANEXO C
(Informativo)
SIMULACIÓN DE LOS PARÁMETROS DEL RAYO PARA PROPÓSITOS DE PRUEBA
C.1 INTRODUCCIÓN
Si un objeto es impactado por un rayo, la corriente del rayo circula por el mismo. Cuando se
ensayan elementos de protección individuales, debe tenerse en cuenta la escogencia de
parámetros de prueba apropiados para cada componente. Finalmente, debe ser realizado un
análisis del comportamiento del SIPRA.
C.2 SIMULACIÓN DE LA ENERGÍA ESPECIFICA DE LA PRIMERA DESCARGA CORTA Y
LA CARGA DE UNA DESCARGA LARGA
Los parámetros de prueba están definidos en las Tablas C.1 y Tabla C.2; un ejemplo del
generador de pruebas se muestra en la Figura C.1, el cual puede ser usado para simular la
energía específica de la primera descarga corta combinada con la carga de la descarga larga.
Las pruebas son hechas para evaluar la integridad mecánica, comportamiento ante
calentamiento y efectos de fundición.
Los parámetros de prueba relevantes para la simulación de la primera descarga corta (corriente
pico I, energía específica W/R y carga QS) están dados en la Tabla C.1. Estos parámetros
deben ser obtenidos con el mismo impulso. Este puede ser llevado a cabo mediante una
aproximación a una exponencial de corriente decreciente con T2 en el rango de 350 µs.
Los parámetros de prueba relevantes para la simulación de la descarga larga (carga Ql y
duración T) están dados en la Tabla C.2.
Dependiendo de las pruebas y los mecanismos de daño esperados, las pruebas para la
primera descarga corta o la descarga larga pueden ser aplicadas individualmente o como una
prueba combinada, donde a la descarga larga le sigue la primera descarga corta
inmediatamente. Las pruebas para el arco de fusión deben ser hechas con ambas polaridades.
Tabla C.1. Parámetros de prueba para la primera descarga corta
NPR
Parámetros de prueba
I
II
II-IV
Tolerancia
Corriente pico (kA)
200
150
100
+ 10 %
Carga Qcorta (C)
100
75
50
+ 20 %
10000
5625
2500
+ 35 %
Energía específica W/R (kJ/Ω)
Tabla C.2. Parámetros de prueba para descargas largas
Parámetros de prueba
NPR
Tolerancia
I
II
III-IV
Carga Qlarga
200
150
100
+ 20 %
Duración T (s)
0,5
0,5
0,5
+ 10 %
41
NORMA TÉCNICA COLOMBIANA
Interruptor
de inicio
100 μH to
300 μH
L
20 μF
160 kV
tensión de
carga U L
NTC 4552-1
0,5 s
Interruptor
de corto
circuito
600 V
R 1 = 0,1 Ω
R2
R3
G
Derivación
Generador de corriente
para la primera descarga
NOTA
1,5 Ω
Generador de corriente
para larga descarga
Los valores aplican para NPR I
Figura C.1. Ejemplo de generador de prueba para la simulación de la energía específica de la primera
descarga corta y la carga de la descarga larga
C.3 SIMULACIÓN DEL FRENTE DE LA CORRIENTE DE LA DESCARGA CORTA
La pendiente de la corriente la determinan las tensiones magnéticamente inducidas en lazos
instalados cerca de conductores que llevan corrientes de rayo.
La pendiente de la descarga corta de corriente es definida como el aumento de la corriente Δi
durante el incremento de tiempo Δt (véase la Figura C.2). Los parámetros de prueba relevantes
para la simulación de esta pendiente de corriente están dados en la Tabla C.3. Ejemplos de los
generadores de prueba se muestran en la Figura C.3 y Figura C.4, los cuales pueden ser
usados para simular la pendiente del frente de una corriente de rayo asociada con un impacto
directo de rayo. La simulación puede ser hecha para una primera descarga corta y una
descarga corta subsecuente.
NOTA
Esta simulación cubre la pendiente de descarga corta de corriente. La cola de la corriente no tiene
influencia en esta clase de simulación.
La simulación de acuerdo con el numeral C.2 puede ser aplicada independientemente o en
combinación con la simulación del numeral C.1.
Para información adicional sobre parámetros de pruebas simulando los efectos del rayo en los
componentes de un SIPRA, véase el Anexo D.
Tabla C.3. Ejemplo de generador de prueba para la simulación de la energía específica de la primera
descarga corta y la carga de la descarga larga
NPR
Parámetros de prueba
I
II
III-IV
Tolerancia
Primera descarga corta
Δi (kA)
Δt (µs)
200
10
150
10
100
10
+ 10 %
+ 20 %
Descargas subsecuentes cortas
Δi (kA)
Δt (µs)
54
0,4
40,5
0,4
27
0,4
+ 10 %
+ 20 %
42
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NTC 4552-1
i
Δi
Δt
t
Figura C.2. Definición para la pendiente de la corriente de acuerdo con la Tabla C.3
2 μH
0,25 Ω
9 μH
300 kV
tensión de
carga U L
0,1 Ω
Generador de corriente
NOTA
Elemento de prueba
Los valores aplican para NPR I
Figura C.3. Ejemplo del generador de prueba para la simulación de la pendiente del frente de la primera
descarga corta
43
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NTC 4552-1
2 μH
0,25 Ω
9 μH
300 kV
tensión de
carga U L
0,1 Ω
Generador de corriente
NOTA
Elemento de prueba
Los valores aplican para NPR I
Figura C.4. Ejemplo del generador de prueba para la simulación de la pendiente del frente de
las descargas subsecuentes
44
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ANEXO D
(Informativo)
PARÁMETROS DE PRUEBA PARA SIMULAR LOS EFECTOS DE LOS RAYOS SOBRE
COMPONENTES DE UN SIPRA
D.1
GENERAL
Este anexo presenta los parámetros básicos para ser usados en un laboratorio para simular los
efectos de los rayos. El Anexo D cubre todos los componentes de un SIPRA sujeto a toda o a
una gran parte de las corrientes de rayo y debe ser usado conjuntamente con las normas que
especifican los requerimientos y las pruebas para cada componente específico.
NOTA
Los parámetros relevantes para los aspectos relacionados con el sistema (por ejemplo, para la
coordinación de dispositivos de protección contra Sobretensiones DPS) no son considerados en este Anexo.
D.2
PARÁMETROS DEL RAYO RELEVANTES EN EL PUNTO DE IMPACTO
Los parámetros del rayo relevantes que juegan un papel importante en la integridad física de
un SIPRA son, en general, la corriente pico I, la carga Q, la energía específica W/R, la duración
T y la pendiente promedio de la corriente di/dt. Cada parámetro tiende a dominar diferentes
mecanismos de falla como se analizara en la siguiente sección. Los parámetros del rayo a ser
considerados para prueba son combinaciones de estos valores, seleccionados para
representar en laboratorio el mecanismo de la falla real de una parte del SIPRA que esta
siendo probado. Los criterios para la selección de las principales cantidades son dados en el
numeral D.5.
La Tabla D.1 presenta los valores máximos de I, Q, W/R, T y di/dt para ser considerados en las
pruebas, como una función del nivel de protección requerido.
D.3
REPARTICIÓN O PRORRATEO DE CORRIENTE
Los parámetros dados en la Tabla D.1 son relevantes para las corrientes de rayo en el punto
de impacto. De hecho la corriente fluye a tierra a través de más de un camino, tantos como
conductores bajantes y conductores naturales se presenten en el SIPRA y diferentes servicios
que están normalmente disponibles entrando a la estructura protegida (tuberías de agua y gas,
redes de comunicaciones y energía, etc.). Para la determinación de los parámetros de la
corriente real fluyendo en componentes específicas de un SIPRA, la repartición o prorrateo de
la corriente debe ser tenida en cuenta. Preferiblemente, la amplitud de la corriente y la forma de
onda a través de un componente en un punto específico de un SIPRA deben ser evaluadas.
Cuando una evaluación no sea posible, los parámetros del rayo pueden ser evaluados por
medio de los siguientes procedimientos.
Para la evaluación de la repartición de corriente dentro del SIPRA externo, puede ser adoptado
el factor de configuración kc (véase la NTC4552-3, Anexo C). Este factor da el prorrateo de la
corriente de rayo fluyendo por los conductores bajantes del SIPRA externo bajo las peores
condiciones.
45
NORMA TÉCNICA COLOMBIANA
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Tabla D.1. Resumen de los parámetros del rayo para considerar en el cálculo de los valores de prueba para los
diferentes componentes de un SIPRA y para diferentes NPR
Componentes
Principales
problemas
Terminales de
captación
Erosión en el
punto de
acople ( para
metales
delgados)
Terminales de
captación y
conductores
bajantes
Conexiones
Puesta a tierra
DPS con spark
gaps
Calentamiento
óhmico
Efectos
mecánicos
Efectos
combinados
(térmicos,
mecánicos y
chispas)
Erosión en el
punto de
acople
Efectos
combinados
(térmicos,
mecánicos y
chispas
Efectos
energéticos
(sobrecarga)
DPS de óxidos
metálicos
Efectos
dieléctricos
(flameo)
Parámetros del rayo peligrosos
NPR
Qlarga (C)
I
200
II
150
III - IV
2500
NPR
I (kA)
T
<1 s aplicar
Qlarga un
impulso
simple
T
Aplicar W/R
en
configuración
adiabática
W/R (kJ/Ω)
III - IV
100
NPR
W/R (kJ/Ω)
I
10000
II
5600
I
200
10000
II
150
5600
III - IV
100
2500
NPR
I (kA)
W/R (kJ/Ω)
I
200
10000
II
150
5600
III - IV
100
2500
NPR
Qlarga (C)
I
200
Notas
Dimensionar
con
NTC 4552-3
T
<2 ms
aplicar I y
W/R impulso
simple
II
150
III - IV
100
T
<1 s aplicar
Qlarga un
impulso
simple
NPR
I (kA)
Qcorta (C)
W/R (kJ/Ω)
I
200
100
10000
di/dt
(kA/µs)
200
II
150
75
5600
150
III - IV
100
50
2500
100
NPR
Qcorta (C)
I
100
II
75
III - IV
50
NPR
I (kA)
I
200
II
150
III - IV
100
Dimensionar
por aspectos
mecánicos y
químicos
Aplicar I, Qcorto
W/R impulso
simple. T<2ms,
aplicar Δi/Δt
pulsos
separados
Deben
examinarse
ambos
aspectos
T
< 2 ms
(aplicar I en
un impulso
simple)
Deben
considerarse
pruebas
independientes
Las aproximaciones descritas anteriormente son aplicables para la evaluación del valor pico de la
corriente fluyendo por un camino particular a tierra. El calculo de los otros parámetros de la
corriente son evaluados como sigue:
I p = kI
(D.1)
Q p = kQ
(W R )
P
( R)
= k2 W
⎛ di ⎞
⎛ di ⎞
⎜ ⎟ = k⎜ ⎟
dt
⎝ ⎠p
⎝ dt ⎠
46
(D.2)
(D.3)
(D.4)
NORMA TÉCNICA COLOMBIANA
NTC 4552-1
en donde
D.4
xp
valor de la cantidad considerada (corriente pico Ip, carga Qp, energía especifica (W/R)p, pendiente
de la corriente (di/dt)p) relevante para un camino particular a tierra “p”.
x:
valor de la cantidad considerada (corriente I, carga Q, energía especifica (W/R), pendiente de la
corriente (di/dt)) relevante para la corriente total
k:
factor de prorrateo de la corriente
kc
factor de prorrateo para el SIPRA externo (véase la NTC 4552-3 Anexo C)
ke, k´e
factor de prorrateo en presencia de partes conductoras externas y redes de energía o
telecomunicaciones entrando a la estructura protegida (véase la NTC 4552-2, la
NTC 4552-3, Anexo A).
EFECTOS DE LOS PARÁMETROS DEL RAYO
D.4.1 Efectos térmicos
Los efectos térmicos relacionados con los parámetros del rayo son relevantes para el
calentamiento resistivo causado por la circulación de una corriente eléctrica fluyendo a través
de un conductor o dentro de un SIPRA y por el calor generado en la base de los arcos en el
punto de acople o impacto y en todas las partes aisladas de un SIPRA envuelto en el desarrollo
del arco (por ejemplo “spark gaps”).
D.4.1.1 Calentamiento resistivo
El calentamiento resistivo se presenta en cualquier componente de un SIPRA portando una
parte significativa de la corriente del rayo. El área transversal mínima de los conductores debe
ser lo suficiente para prevenir sobrecalentamientos de los conductores y peligros de fuego a su
alrededor. Además de los aspectos térmicos, también los esfuerzos mecánicos y criterios de
durabilidad deben ser considerados para las partes expuestas a condiciones atmosféricas de
corrosión. La evaluación del conductor calentado, debido a corrientes de rayo fluyendo, es
algunas veces necesaria cuando los problemas pueden aumentar debido al riesgo de lesiones
personales y de fuego o daños por explosión.
A continuación se da una guía para evaluar el aumento de la temperatura de los conductores
sometidos al flujo de una corriente de rayo.
Una aproximación analítica se presenta a continuación:
La potencia instantánea disipada como calor en un conductor debida a una corriente eléctrica es:
P (t ) = i 2 R
(D.5)
La energía térmica generada por el pulso completo de corriente es, entonces, la resistencia
óhmica del camino del rayo a través del componente del SIPRA considerado, multiplicado por
la energía específica del pulso y es expresada en Julios o Vatios-segundos.
∫
W = R ⋅ i 2 dt
(D.6)
En una descarga eléctrica atmosférica las fases altas de la energía específica del rayo son de
muy corta duración para cualquier calor generado en la estructura y ser disipada
significativamente. El fenómeno debe ser, entonces, considerado como adiabático.
47
NORMA TÉCNICA COLOMBIANA
NTC 4552-1
La temperatura de los conductores del SIPRA puede ser evaluada como sigue:
⎡ ⎛W
⋅ α ⋅ ρ0
1⎢ ⎜ R
θ − θ0 = ⎢exp⎜ 2
α ⎢ ⎜ q ⋅ γ ⋅ Cw
⎜
⎢⎣ ⎝
⎞⎤
⎟⎥
⎟⎥
⎟⎥
⎟
⎠⎥⎦
(D.7)
en donde
θ-θ0
α
=
aumento de temperatura de los conductores [K]
=
coeficiente de temperatura del conductor [1/K]
W/R
=
energía especifica de los conductores [J/Ω]
ρ0
=
resistencia óhmica especifica del conductor a temperatura ambiente [Ωm]
q
=
área de la sección transversal del conductor [m2]
=
densidad del material [kg/m3]
Cw
=
capacidad térmica [J/kgK]
θs
=
temperatura de fusión [oC]
cs:
=
calor latente de fusión [J/kg]
γ
En la Tabla D.2 se presentan los valores característicos de los parámetros físicos reportados
en la ecuación (D.7), para diferentes materiales usados en un SIPRA. La Tabla D.3 presenta, a
manera de ejemplo de aplicación de esta ecuación, el aumento de temperatura de conductores
fabricados de diferentes materiales, como una función de la W/R y del área de la sección
transversal.
La descarga típica de un rayo se caracteriza por un impacto de corta duración (valor del tiempo al
50 %, aproximadamente 100 µs) y un alto valor pico de corriente; bajo estas circunstancias, el
efecto piel debe también ser considerado. Sin embargo, en muchos casos prácticos asociados
con componentes de un SIPRA, las características de los materiales (permeabilidad magnética
dinámica de los conductores de un SIPRA) y las configuraciones geométricas (área de la sección
transversal del conductor de un SIPRA) reduce a niveles despreciables la contribución del efecto
piel al aumentar la temperatura del conductor.
La componente del rayo más relevante para estos mecanismos de calentamiento es la primera
descarga de retorno.
Tabla D.2. Características físicas de materiales típicos usados en componentes de un SIPRA
Material
Cantidad
ρ0 [Ωm]
α [1/K]
γ [kg/m3]
Aluminio
-9
29.10
Acero templado
-9
120.10
Acero inoxidable (*)
-9
0,7.10-6
-3
17,8.10
-3
6,5.10
3,92.10
0,8.10-3
2700
7700
8920
8.10
4.10
-3
Cobre
3
θs [oC]
658
1530
1080
1500
Cs [J/kg]
397.103
272.103
209.103
-
Cw [J/kgK]
908
469
385
500
(*) no magnético
Tabla D.3. Aumento de temperatura para conductores de diferentes secciones como una función de W/R
48
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Material
Sección
Transv.
[mm2]
Aluminio
Acero templado
Cobre
Acero inoxidable (*)
W/R [MJ/Ω]
W/R [MJ/Ω]
W/R [MJ/Ω]
W/R [MJ/Ω]
2,5
5,6
10
2,5
5,6
10
2,5
5,6
10
2,5
5,6
10
4
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
10
564
-
-
-
-
-
169
542
-
-
-
-
16
146
454
-
1120
-
-
56
143
309
-
-
-
25
52
132
283
211
913
-
22
51
98
940
-
-
50
12
28
52
37
96
211
5
12
22
190
460
940
100
3
7
12
9
20
37
1
3
5
45
100
190
(*) no magnético
D.4.1.2 Daño en el punto de acople térmico
El daño en el punto de acople térmico puede ser observado sobre todas las componentes de
un SIPRA sobre el cual se desarrolla un arco, por ejemplo sistemas de captación, vías de
chispa (Spark-Gaps), etc.
La fusión y erosión del material puede ocurrir en el punto de acople; de hecho, en el área de la
base del arco existe una entrada térmica alta del arco mismo, así como una concentración de
calentamiento óhmico debido a la alta densidad de corriente. Mucha de la energía térmica es
generada en o muy cerca de la superficie del metal. El calor generado en las inmediaciones del
área base es tan alto que puede ser absorbido por el material por conducción y el exceso se
pierde en fusión o vaporización del material o es irradiado. La severidad del proceso esta
relacionado con la amplitud de la corriente y la duración.
D.4.1.2.1 General
Se han desarrollado varios modelos teóricos para el cálculo de los efectos térmicos en el punto
de acople del canal de la descarga sobre superficies metálicas. En aras de lograr simplicidad,
este documento presenta solamente el modelo de caída de tensión ánodo – o – cátodo. La
aplicación de este modelo es particularmente efectiva para metales delgados. En todos los casos
los resultados son conservativos, debido a que el modelo postula que toda la energía inyectada
en el punto de acople de la descarga es usada para fusionar o vaporizar el material conductor,
despreciando la difusión de calor dentro del material. Otros modelos introducen la dependencia
del daño en el punto de acople de la descarga en la duración del impulso de la corriente.
D.4.1.2.2 Modelo de caída de tensión Ánodo – o- Cátodo
La energía de entrada W en la base del arco se asume como dada por la caída de tensión
ánodo-cátodo ua.c multiplicada por la carga Q de la corriente del rayo.
W =
∫u
ac
∫
⋅ idt = uac idt = uac ⋅ Q
(D.8)
Como ua.c es prácticamente constante en el rango de corriente considerado aquí, la carga de la
corriente de rayo (Q) es la principal responsable por la conversión de energía en la base del
arco.
La caída de tensión en el ánodo-cátodo ua.c tiene un valor de pocas decenas de voltios.
49
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Una aproximación simplificada asume que toda la energía desarrollada en la base del arco es
usada solo para fusión. La siguiente ecuación (D.9) usa esta suposición pero lleva a una
sobreestimación del volumen fusionado.
V =
u ac ⋅ Q
1
.
γ
C w (θ s − θ u ) + C s
(D.9)
en donde
V
=
volumen del metal fusionado [m3]
Ua.c
=
caída de tensión ánodo-cátodo (asumida como constante) [V]
Q
=
carga de la corriente del rayo [C]
γ
=
densidad del material [kg/m3]
cw
=
capacidad térmica [J/kgK]
θs
=
temperatura de fusión [oC]
θu
=
temperatura ambiente [oC]
cs
=
calor latente de fusión [J/kg]
Valores característicos de los parámetros físicos reportados en esta ecuación, para diferentes
materiales usados en un SIPRA se presentan en la Tabla D.2.
Básicamente, la carga a ser considerada es la suma de la descarga de retorno y la corriente
continua del rayo; pruebas de laboratorio han revelado que los efectos de la carga de retorno
son de menor importancia si se compara con los efectos de la corriente continua.
D.4.2 Efectos mecánicos
Los efectos mecánicos causados por la corriente del rayo dependen de la amplitud y su
duración, así como de las características elásticas de la estructura mecánica afectada y de las
fuerzas de fricción actuando entre las partes de un SIPRA en contacto con otro, si este último
es relevante.
D.4.2.1 Interacción magnética
Las fuerzas magnéticas ocurren entre 2 conductores transportando corriente o si uno de los
conductores forma una esquina o un lazo.
Cuando una corriente fluye a través de un circuito, la amplitud de las fuerzas electrodinámicas
desarrolladas en varios sitios del circuito, depende tanto de la amplitud de la corriente del rayo
como de la configuración geométrica del circuito. Los efectos mecánicos de estas fuerzas, si
embargo, dependen no solo de su amplitud, sino de la forma general de la corriente y su
duración, así como de la configuración geométrica de la instalación.
D.4.2.1.1 Fuerzas electrodinámicas
Las fuerzas electrodinámicas desarrolladas por una corriente i fluyendo dentro del conductor
que tiene una longitud paralela l y una distancia d (lazo largo y pequeño) se muestran en la
Figura D.1 y pueden ser calculadas usando la siguiente ecuación:
50
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F (t ) =
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μ0
2π
⋅ i 2 dt ⋅
1
1
= 2 ⋅10 − 7 ⋅ i 2 dt
d
d
(D.10)
en donde
F(t) =
fuerza electrodinámica [N]
i
=
corriente [A]
µ0
=
permitividad magnética del aire (4π10-7 H/m)
l:
=
longitud de los conductores [m]
d
=
distancia entre la sección recta paralela del conductor [m]
i
d
d
i ó -i
l
α
-l
Figura D.1. Arreglo general de dos conductores para el cálculo de fuerzas electrodinámicas
Un típico SIPRA consta de un arreglo simétrico de conductores, formando un ángulo de 90o uno
con otro, con una abrazadera colocada cerca de la esquina, como se muestra en la Figura D.2. El
diagrama de esfuerzos para esta configuración se presenta en la Figura D.3. La fuerza axial
sobre el conductor tiende a halar el conductor hacia fuera de la abrazadera. El valor numérico
de la fuerza a lo largo del conductor horizontal, considerando un valor de corriente pico de 100 kA y
una longitud de un conductor vertical de 0,5 m, se muestra en la Figura D.4.
51
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a
l
a
l
Figura D.2 Arreglo de conductor típico en un SIPRA
F
F
Figura D.3. Diagrama de los esfuerzos para la configuración de la Figura D.2
52
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80
70
60
50
40
30
20
10
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
Lm
NOTA
Valor pico de corriente 100kA y longitud vertical del conductor 0,5m.
Figura D.4 Fuerza por unidad de longitud a lo largo del conductor horizontal
de la Figura D.2
D.4.2.1.2 Efectos de fuerza Electrodinámicas
En términos de amplitud de la fuerza aplicada, el valor instantáneo de la fuerza
electrodinámica, F(t), es proporcional al cuadrado de la corriente instantánea I(t)2. En términos
del esfuerzo desarrollado dentro de la estructura mecánica del SIPRA, expresado por el
producto δ(t)*k de la deformación elástica δ(t), por la constante elástica k de la estructura del
SIPRA, dos efectos deben ser considerados. La frecuencia mecánica natural (vinculado con el
comportamiento elástico de la estructura del SIPRA) y la deformación permanente de la
estructura del SIPRA, (relacionada con su comportamiento plástico) son los parámetros más
importantes. Adicionalmente, en muchos casos el efecto de las fuerzas de fricción dentro de la
estructura es de gran importancia.
La amplitud de las vibraciones de la estructura elástica del SIPRA causada por una fuerza
electrodinámica desarrollada por la corriente del rayo, puede ser evaluada por medio de
ecuaciones diferenciales de segundo orden; el factor clave a este respecto es la relación entre
la duración del impulso de corriente y el periodo de la oscilación natural de la estructura del
SIPRA. La condición típica encontrada en un SIPRA consiste de periodos de oscilación natural
de la estructura mucho mayores que el de la fuerza aplicada (duración del impulso de
corriente). En este caso el máximo esfuerzo mecánico ocurre después de que termina el
impulso de corriente y tiene un valor pico que se mantiene más bajo que el de la fuerza
aplicada y puede, en muchos casos, ser despreciada.
La deformación plástica ocurre cuando el esfuerzo extensible supera el límite elástico del
material. Si el material de la estructura del SIPRA es blando, como el aluminio o el cobre
recocido, las fuerzas electrodinámicas pueden deformar los conductores en las esquinas y
lazos. Los componentes del SIPRA podrían, entonces, ser diseñados para soportar estas
fuerzas y mostrar esencialmente un comportamiento elástico.
53
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El esfuerzo mecánico total aplicado a la estructura de un SIPRA depende de la integral de
tiempo de la fuerza aplicada y, por lo tanto, de la energía específica asociada con el impulso de
corriente, pero también de la forma de onda del impulso de la corriente y su duración
(comparada con el período de la oscilación natural de la estructura). Toda esta influencia de
parámetros debe, entonces, ser tenida en cuenta durante las pruebas.
D.4.2.2 Daños por ondas de choque acústicas
Cuando una corriente de rayo fluye en un arco, se produce una onda de choque. La severidad
del choque depende del valor pico de la corriente y la rata de aumento de la corriente.
En general, el daño debido al valor de la onda del choque acústico es insignificante en partes
metálicas del SIPRA, pero puede causar daños en componentes cercanos.
D.4.3 Efectos combinados
En la práctica tanto los efectos mecánicos como térmicos ocurren simultáneamente. Si el
calentamiento de los componentes del material (varillas, grapas, etc.) es suficiente para
ablandar los materiales, pueden ocurrir daños mucho mayores que el daño que puede ocurrir
de otra manera; en un caso extremo el conductor podría fundirse y causar daños considerables
en las vecindades de la estructura. Si la sección transversal del metal es suficiente para portar
la energía de una forma segura, debe entonces ser examinada la integridad mecánica.
D.4.4 Chispas
En términos generales, los arcos o chispas son importantes solamente en ambientes inflamables;
para componentes del SIPRA, en muchos casos prácticos, las chispas no son importantes.
Pueden ocurrir dos tipos de chispas, por ejemplo “chispas térmicas” y “chispas por tensión”. Las
chispas térmicas ocurren cuando una muy alta corriente es forzada a cruzar una unión entre dos
materiales conductores. Muchas chispas térmicas ocurren cerca de los bordes de una unión si la
presión de interfase es muy baja; la primera causa es una alta densidad de corriente y una
presión de interfase inadecuada. La intensidad de las chispas térmicas está unida a la energía
específica y, por lo tanto, la fase más crítica del rayo es la primera descarga de retorno.
Las chispas por tensión ocurren cuando la corriente es forzada a tomar caminos complejos, por
ejemplo dentro de una unión, si la tensión inducida en un lazo excede la tensión disruptiva
entre partes del metal. La tensión inducida es proporcional a la inductancia mutua multiplicada
por la pendiente de la corriente del rayo. La componente más crítica de la componente del rayo
para la chispa por tensión es, entonces, la descarga negativa subsecuente.
D.5
COMPONENTES DE UN SIPRA, PROBLEMAS RELEVANTES Y PARÁMETROS DE
PRUEBA
Los SIPRA son hechos de diferentes componentes, cada uno con una función específica
dentro del sistema. La naturaleza de los componentes y el esfuerzo específico al cual ellos
están sometidos, requieren consideración especial cuando se realizan pruebas de laboratorio
para examinar su comportamiento.
D.5.1 Terminal de captación (Air Terminal)
Los efectos sobre los pararrayos aumentan por los efectos térmicos y mecánicos (tal como se
discute en el numeral D.5.2, notando que una alta proporción de la corriente del rayo fluirá en
un conductor de pararrayos impactado) y también en algunos casos por efectos de erosión por
el arco, particularmente en componentes naturales de un SIPRA como metales delgados
54
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(donde pueden ocurrir perforaciones o aumento excesivo de la temperatura en la superficie) y
conductores suspendidos.
Para efectos de erosión por arcos, se deben considerar dos parámetros de prueba
principalmente: la carga de la descarga de larga duración y su duración.
La carga gobierna la energía de entrada en la base del arco. En particular las descargas de
larga duración parecen ser las más severas para este efecto, mientras que las descargas de
corta duración pueden ser despreciadas.
La duración de la corriente tiene un importante papel en el fenómeno de la transferencia de
calor dentro del material. La duración de la corriente aplicada durante las pruebas debe ser
comparable con las descargas de larga duración (0,5 a 1 s).
D.5.2 Conductores bajantes (Down Conductors)
Los efectos causados por impactos de rayos sobre los conductores pueden ser divididos en 2
categorías:
-
Efectos térmicos debido a calentamiento resistivo
-
Efectos mecánicos relacionados con la interacción magnética donde la corriente del
rayo es compartida por conductores colocados cerca uno de otro o cuando se presentan
cambios en la dirección de la corriente (curvas o conexiones entre conductores
colocados en un ángulo dado respecto a otro)
En muchos casos estos dos efectos actúan independientemente y las pruebas de laboratorio
deben ser llevadas a acabo para examinar cada efecto. Esta aproximación puede ser adoptada
en todos los casos en los cuales el calor desarrollado por la corriente fluyendo no modifica
substancialmente las características mecánicas.
D.5.2.1 Calentamiento resistivo
Los cálculos y las medidas del calentamiento de los conductores de diferentes secciones
transversales y materiales causado por el flujo de una corriente de rayo, ha sido publicada por
varios autores y el principal resultado en términos de gráficos y formulas se resume en el numeral
D.4.1.1. Ninguna prueba de laboratorio es, entonces, necesaria, en general, para examinar el
comportamiento de un conductor desde el punto de vista del aumento de temperatura.
En todos los casos para los cuales se requiere pruebas de laboratorio, las siguientes
consideraciones deben ser tenidas en cuenta.
-
Los principales parámetros de prueba a ser considerados en este caso son la energía
específica y la duración del impulso de corriente.
-
La energía específica gobierna el aumento de temperatura debido al efecto Joule
causado por el flujo de la corriente de rayo. Los valores numéricos a ser considerados
son aquellos relevantes a la primera descarga. Los datos conservativos son obtenidos
considerando descargas positivas.
-
La duración del impulso de corriente tiene una influencia decisiva en el proceso de
intercambio de calor respecto al ambiente circundante del conductor considerado. En
muchos casos la duración del impulso de corriente es tan corta que el proceso de
calentamiento puede ser considerado adiabático.
55
NORMA TÉCNICA COLOMBIANA
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D.5.2.2 Efectos mecánicos
Como se discutió en el numeral D.4.2.1 las interacciones mecánicas son desarrolladas entre
conductores que llevan la corriente del rayo: la fuerza es proporcional al producto de la
corriente que fluye por los conductores (o el cuadrado de la corriente si se considera un solo
conductor doblado) y el inverso de la distancia entre conductores.
La situación normal en la cual puede ocurrir un efecto visible es cuando un conductor forma un
lazo o está doblado. Cuando tal conductor transporta una corriente de rayo, este estará sometido
a una fuerza mecánica que trata de extender el lazo y a enderezar la esquina y, por lo tanto a
doblarlo hacia fuera. La magnitud de esta fuerza es proporcional al cuadrado de la amplitud de la
corriente. Se debe hacer una clara distinción entre la fuerza electrodinámica, la cual es
proporcional al cuadrado de la amplitud de la corriente, y el correspondiente esfuerzo que
depende de las características elásticas de la estructura mecánica del SIPRA. Para estructuras
de un SIPRA de relativa baja frecuencia natural, el esfuerzo desarrollado dentro de la estructura
del SIPRA podría ser considerablemente menor que la fuerza electrodinámica. En este caso,
ninguna prueba de laboratorio es necesaria, en general, para examinar el comportamiento de un
conductor doblado en ángulo recto desde el punto de vista mecánico, mientras se satisfagan los
requerimientos de las áreas de sección transversal de la presente norma.
En todos los casos para los cuales se requieran pruebas de laboratorio (especialmente para
materiales blandos), las siguientes consideraciones deben ser tenidas en cuenta. Tres
parámetros de la primera descarga de retorno deben ser consideradas en este caso: la
duración, la energía específica del impulso de corriente y, en el caso de sistemas rígidos, la
amplitud de la corriente.
La duración del impulso de corriente, comparado con el período de la oscilación mecánica natural
de la estructura del SIPRA gobierna el tipo de respuesta mecánica del sistema en términos de
desplazamiento.
-
Si la duración del impulso es mucho menor que el periodo de la oscilación mecánica
natural de la estructura del SIPRA (caso normal para estructuras de un SIPRA esforzadas
por impulsos de rayo), la masa y la elasticidad del sistema previene de desplazamientos
apreciables y los esfuerzos mecánicos relevantes se relacionan esencialmente a la
energía específica del impulso de la corriente; el valor pico del impulso de corriente tiene
un efecto limitado.
-
Si la duración del impulso es comparable con, o mayor que, el período de la oscilación
mecánica natural de la estructura, el desplazamiento del sistema es más sensible a la
forma de onda del esfuerzo aplicado: en este caso el valor pico del impulso de corriente y
su energía específica necesita ser reproducida durante la prueba.
La energía específica del impulso de la corriente gobierna el esfuerzo que causa la
deformación elástica y plástica de la estructura del SIPRA. Los valores numéricos a ser
considerados son aquellos que son relevantes para la primera descarga.
Los valores máximos del impulso de la corriente gobiernan la longitud del máximo
desplazamiento de la estructura del SIPRA, en caso de sistemas rígidos, teniendo altas
frecuencias naturales de oscilación. Los valores numéricos a ser considerados son aquellos
relevantes para la primera descarga.
D.5.3 Conexiones
Las conexiones entre conductores adyacentes de un SIPRA son puntos mecánicos y térmicos
vulnerables donde pueden presentarse grandes esfuerzos.
56
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En el caso de un conector colocado de tal manera que hace un ángulo recto con otro
conductor, el principal efecto del esfuerzo tiene que ver con fuerzas mecánicas que tienden a
enderezar el conductor con fuerzas de fricción interactuando entre los componentes con
posibles desarrollos de arcos en los puntos de contacto de las diferentes partes.
Adicionalmente, el efecto de calentamiento causado por la concentración de corriente sobre
pequeñas superficies de contacto no es despreciable.
Pruebas de laboratorio han mostrado que es difícil separar cada uno de los efectos que se dan
como un sistema sinérgico: el esfuerzo mecánico se ve afectado por fusiones locales del área
de contacto, desplazamientos relativos entre partes de la conexión estimula el desarrollo de
arcos y la consecuente generación intensa de calor, etc.
Ante la ausencia de un modelo válido, las pruebas de laboratorio deben ser elaboradas de tal
forma que representen los parámetros del rayo lo más cercano posible a una situación crítica:
los parámetros del rayo deben ser aplicados por medio de una prueba eléctrica sencilla.
Tres parámetros deben ser considerados en este caso: la corriente pico, la energía específica y
la duración del impuso de la corriente.
Los valores máximos del impulsos de la corriente manejan
un impulso electrodinámico que excede la fuerza de
desplazamiento de la estructura de un SIPRA. Los valores
aquellos que son relevantes para la primera descarga. Los
considerando descargas positivas.
la fuerza máxima o, si después de
fricción, la longitud del máximo
numéricos a ser considerados son
datos conservativos son obtenidos
La energía específica del impulso de la corriente maneja el calentamiento de las superficies en
contacto, donde la corriente esta concentrada sobre áreas pequeñas. Los valores numéricos a
ser considerados son aquellos relevantes para la primera descarga. Los datos conservativos
son obtenidos considerando descargas positivas.
La duración del impulso de corriente maneja el desplazamiento máximo de la estructura,
después de que las fuerzas de fricción son excedidas y tienen un importante papel en el
fenómeno de transferencia de calor dentro del material.
D.5.4 Puesta a tierra de protección contra rayos
Los problemas reales con los electrodos de puesta a tierra están relacionados con la corrosión
química y los daños mecánicos causados por otras fuerzas electrodinámicas. En casos
prácticos, la erosión del electrodo de puesta a tierra en el origen del arco es de menor
importancia. Sin embargo, debe considerarse que, contrario a los pararrayos, un SIPRA típico
tiene varias puestas a tierra, por tanto, las corrientes de rayo se comparten entre varios
electrodos que causan efectos menos importantes.
Dos parámetros importantes de prueba deben ser considerados en este caso: la carga del
impulso de corriente de larga duración y su duración.
La carga maneja la energía inicial del origen del arco. En particular, la contribución de la
primera descarga puede ser despreciada, mientras los impactos de larga duración parecen ser
los más severos para este componente.
La duración del impulso de corriente tiene un importante papel en el fenómeno de transferencia
de calor dentro del material. La duración del impulso de corriente aplicado durante las pruebas,
debe ser comparable con las descargas de larga duración (0,5 s a 1 s).
57
NORMA TÉCNICA COLOMBIANA
D.6
NTC 4552-1
DISPOSITIVOS DE PROTECCIÓN CONTRA SOBRETENSIONES (DPS)
El efecto del esfuerzo sobre un DPS causado por rayos depende del tipo de DPS considerado,
en particular con la presencia o ausencia de espacios (Gap).
D.6.1 DPS que contienen espacios (Spark Gaps)
Los efectos sobre Spark Gaps causados por rayos pueden ser divididos en dos grandes
categorías:
-
La erosión de los electrodos por calentamiento, fusión y vaporización del material.
-
Los esfuerzos mecánicos causados por la onda de choque de la descarga.
Es extremadamente difícil investigar separadamente estos efectos, ambos están relacionados
con los principales parámetros del rayo por medio de relaciones complejas.
Para Spark Gaps las pruebas de laboratorio deben ser realizadas de tal forma que representen
lo más aproximado posible los parámetros del rayo en la situación más crítica: todos los
parámetros apropiados del rayo son aplicados por medio de un esfuerzo eléctrico simple.
Cinco parámetros deben ser considerados en este caso: el valor pico, la carga, la duración, la
energía específica y la rata de aumento del impulso de la corriente.
El valor pico de la corriente maneja la severidad de la onda de choque. Los valores numéricos
a ser considerados son aquellos relevantes de la primera descarga. Los datos conservativos
son obtenidos considerando descargas positivas.
La carga maneja la energía inicial en el arco, la cual calentará, fusionará y vaporizará parte del
material del electrodo en el punto de acople del arco. Los valores numéricos a ser
considerados son aquellos relevantes a todas las descargas. En particular, la carga de la
corriente de larga duración puede ser depreciada en muchos casos, dependiendo de la
configuración del sistema de alimentación de energía (TN, TT, IT).
La duración del impulso de la corriente maneja el fenómeno de transferencia de calor dentro de
la masa del electrodo y la consiguiente propagación del frente de fusión.
La energía específica del impulso de la corriente maneja la compresión auto magnética del
arco y la física del plasma del electrodo desarrollada en la interfase entre la superficie del
electrodo y el arco, el cual puede apagar por soplado una cantidad significante de material
fusionado. Los valores numéricos a ser considerados son aquellos relevantes de la primera
descarga. Los valores conservativos son obtenidos considerando las descargas positivas.
NOTA Para Spark Gaps usados en sistemas de potencia, la posible frecuencia industrial de la corriente constituye
un importante factor de esfuerzo a ser tenido en cuenta.
D.6.2 DPS construidos con óxidos metálicos
El esfuerzo de varistores metálicos causado por rayos puede ser dividido en dos principales
categorías: sobrecarga y flameo. Cada categoría está caracterizada por modos de falla
generados por diferentes fenómenos y manejados por diferentes parámetros. La falla de un DPS
de óxidos metálicos esta relacionada con sus características débiles, por lo tanto es improbable
que la sinergia entre diferentes esfuerzos fatales pueda ocurrir. Parece entonces aceptable llevar
a cabo pruebas separadas para examinar el desarrollo bajo cada condición de falla.
58
NORMA TÉCNICA COLOMBIANA
NTC 4552-1
Las sobrecargas son causadas por una cantidad de energía absorbida que excede la
capacidad del dispositivo. La excesiva energía considerada aquí está relacionada al esfuerzo
mismo del rayo; sin embargo, debe considerarse que, para DPS conectados a sistemas de
energía, la corriente inyectada al dispositivo por el sistema de energía, después de terminar
el flujo de corriente o por inestabilidad térmica bajo la tensión aplicada relacionada con el
coeficiente negativo de temperatura de la característica tensión-corriente de la resistencia,
puede también jugar un papel importante en el daño letal del DPS.
Para la simulación de la sobrecarga de varistores de óxidos metálicos un parámetro importante
a ser considerado es la carga.
La carga maneja la energía inicial en el bloque de resistencias de óxidos metálicos,
considerando como una constante la tensión residual del bloque de resistencias. Los valores
numéricos a ser considerados son aquellos relevantes a la primera descarga.
Los flameos y fracturas son causadas por la amplitud del impulso de corriente que excede la
capacidad de las resistencias. El modo de falla es evidenciado generalmente por un flameo
externo a lo largo del collar de resistencias, algunas veces penetrando el bloque causando una
fractura o un orificio perpendicular al collar. La falla está principalmente relacionada con un
colapso dieléctrico del collar del bloque de resistencias.
Para la simulación del fenómeno del rayo, se deben considerar principalmente dos parámetros:
el valor máximo y la duración del impulso de la corriente.
El valor máximo del impulso de la corriente determina, a través del correspondiente nivel de
tensión residual, si la rigidez máxima dieléctrica sobre el collar de resistencias es excedida. Los
valores numéricos a ser considerados son aquellos relevantes a la primera descarga. Los datos
conservativos son obtenidos considerando descargas positivas.
La duración del impulso de la corriente maneja la duración de la aplicación del esfuerzo
dieléctrico del collar de resistencias.
D.7
RESUMEN DE LOS PARÁMETROS DE PRUEBA A SER ADOPTADOS EN
PRUEBAS DE COMPONENTES DE SIPRA
La Tabla D.1 resume los aspectos más críticos de cada componente de un SIPRA durante el
comportamiento de su función y da los parámetros del rayo a ser reproducidos en pruebas de
laboratorio.
Los valores numéricos dados en la Tabla D.1 son relevantes a los parámetros del rayo de
importancia en el punto de impacto.
Los valores de prueba deben ser calculados considerando la corriente compartida la cual
puede ser expresada por medio del factor de corriente compartida como se explica en el
numeral D.3.
Los valores numéricos de los parámetros a ser usados durante las pruebas pueden, entonces,
ser calculados sobre la base de los datos dados en la Tabla D.1, aplicando los factores de
reducción relacionados con la corriente compartida, como está expresada en la fórmula
reportada en el numeral D.3.
59
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ANEXO E
(Informativo)
SOBRETENSIONES DEBIDAS A IMPACTOS DE RAYOS EN DIFERENTES
PUNTOS DE LA INSTALACIÓN
E.1
GENERALIDADES
Para el dimensionamiento de los conductores, DPS y otros dispositivos, el peligro debido a
sobretensiones en algún punto de la instalación o de sus componentes puede ser
determinado. Las sobretensiones se pueden originar por corrientes (parciales) de rayo y por
efectos de inducción en lazos existentes dentro de la instalación. El peligro debido a estas
sobretensiones debe ser menor que la rigidez dieléctrica de los componentes usados en la
protección (la rigidez es definida en pruebas adecuadas para cada dispositivo).
E.2
SOBRETENSIONES DEBIDAS A IMPACTOS A LA ESTRUCTURA (FUENTE DE
DAÑO S1)
E.2.1 Sobretensiones fluyendo a través de partes conductoras externas y líneas
conectadas a la estructura
Cuando es conducida a tierra, la corriente de rayo se divide entre las terminales del sistema de
puesta a tierra, las partes externas conductoras y las líneas, directamente o por medio de DPS
conectados a ellas.
I f = kc I
Si
(E.1)
es la porción de la corriente de rayo relevante a cada parte conductora externa o a cada línea,
entonces ke depende de:
-
el número de caminos en paralelo
-
la impedancia convencional de puesta a tierra para partes subterráneas, o la resistencia
a tierra para partes aéreas, en los casos en los que las partes aéreas se encuentren
conectadas al suelo (enterramientos).
-
la impedancia convencional de los terminales de conexión del sistema de puesta a
tierra.
Para cada tipo de instalación, ke se puede calcular como:
-
instalaciones subterráneas: kc =
-
instalaciones aéreas:
kc =
Z
⎛
Z ⎞
Z 2 + Z ⎜⎜ n2 + n1 1 ⎟⎟
Z
2 ⎠
⎝
Z
⎛
Z ⎞
Z 2 + Z ⎜⎜ n2 + n1 2 ⎟⎟
Z1 ⎠
⎝
60
(E.2)
(E.3)
NORMA TÉCNICA COLOMBIANA
NTC 4552-1
en donde
NOTA
Z
es la impedancia convencional de los terminales de conexión del sistema de puesta a tierra
Z1
es la impedancia convencional de puesta a tierra de partes externas o de líneas subterráneas
(Tabla E.1).
Z2
es la resistencia de la configuración de puesta a tierra de las líneas aéreas. Si la resistencia de
puesta a tierra del punto no es conocida, el valor de Z1 mostrado en la Tabla E.1 puede ser usado
(donde la resistividad es relevante en el punto de puesta a tierra).
Este valor es asumido en la formula anterior en cada punto de puesta a tierra. Si este no es el caso,
ecuaciones más complejas deben ser usadas.
n1
es el número total de partes externas o líneas que son subterráneas
n2
es el número total de partes externas o líneas que son aéreas
I
es la corriente de rayo relevante para cada NPR considerado
Tabla E.1 Valores de impedancia convencional de puesta a tierra Z y Z1 de acuerdo con la
resistividad del suelo.
ρ
[Ω⋅m]
Z1
[Ω]
Z [Ω]
Impedancia convencional de puesta a tierra relativa a cada
NPR
I
II
III - IV
≤100
8
4
6
10
200
11
10
10
10
500
16
4
6
10
1000
22
15
15
15
2000
28
4
6
10
3000
35
20
40
60
NOTA Los valores reportados en esta tabla hacen referencia a la impedancia convencional de
puesta a tierra de un conductor enterrado, bajo una onda impulso (10/350μs)
Asumiendo como una primera aproximación que la mitad de la corriente de rayo fluye en los
terminales de conexión del sistema de puesta a tierra y que Z1=Z2, el valor de ke puede ser
evaluado para una parte externa conductora o para una línea como:
kc =
0,5
n1 + n2
(E.4)
Si las líneas entrantes (ej. líneas eléctricas o de telecomunicaciones) no se encuentran
apantalladas o dentro de ductos metálicos, cada uno de los n’ conductores llevan una parte
igual de la corriente de rayo
k e′ =
ke
n′
61
(E.5)
NORMA TÉCNICA COLOMBIANA
NTC 4552-1
siendo n’ el número total de conductores.
Para líneas apantalladas afianzadas a la entrada, los valores de corriente por cada n’ conductor
de la acometida apantallada está dado por:
k e′ =
k e ⋅ Rs
n′ ⋅ Rs + Rc
(E.6)
en donde
Rs
es la resistencia óhmica por unidad de longitud del apantallamiento
Rc
es la resistencia óhmica por unidad de longitud del conductor interior
NOTA Esta formula puede subestimar el efecto del apantallamiento en la conducción de la corriente de rayo
debido a la mutua inductancia entre el cobre y la pantalla.
E.2.2 Factores que influyen en la repartición de la corriente de rayo en las líneas de
potencia eléctrica
Para cálculos detallados muchos factores pueden influenciar la amplitud y la forma de onda de
la sobretensión:
-
la longitud del cable puede influenciar le repartición de la corriente y las características
de la forma de onda debido a la relación L/R;
-
las diferencia de impedancias del conductor de neutro y de fase pueden influenciar la
cantidad de corriente repartida en los conductores de la línea;
EJEMPLO si el conductor de neutro (N) tiene múltiples conexiones a tierra, una impedancia de N mucho
menor comparada con L1, L2 y L3 podría implicar que el 50% de la corriente fluiría por el conductor N y el otro
50 % sería repartido por las otras líneas (L1, L2 y L3 con 17 % cada una). Si N, L1, L2 y L3 tienen la misma
impedancia, cada conductor llevaría aproximadamente la misma porción de corriente (25 % cada uno).
-
las diferentes impedancias de los transformadores pueden influenciar la repartición de
corriente (este efecto es despreciable si el transformador esa protegido con DPS);
-
la relación entre las resistencias convencionales de puesta a tierra del trasformador y
los elementos del lado de la carga pueden influenciar la repartición de corriente (a
menor impedancia del transformador, mayor sobrecorriente fluye al sistema de baja
tensión);
-
usuarios en paralelo ocasionan una reducción de la impedancia efectiva del sistema de
baja tensión, lo cual puede incrementar la porción de la corriente de rayo que fluye en
dicho sistema.
E.3
SOBRETENSIONES RELACIONADAS
CONECTADAS A LA ESTRUCTURA
CON
ACOMETIDAS
DE
SERVICIOS
E.3.1 Sobretensiones debidas a impactos en la acometida de servicios (Fuente de daño
S3)
Para impactos directos en la acometida de servicios, la partición de la corriente de rayo en
ambas direcciones de la acometida y la falla del aislamiento deben ser tenidas en cuenta.
62
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La selección del valor de Iimp puede basarse en valores dados en la Tabla E.2 donde los valores
usuales de Iimp están asociados con los niveles de protección contra rayos NPR.
Tabla E.2. Sobrecorrientes esperadas debidas a impactos de rayo
Sistema de Baja Tensión
NPR
Impacto
Impacto en la
cerca de la
acometida de
acometida de
servicio
servicio
Fuente de
Fuente de
daño S3
daño S4
(impacto
(impacto
indirecto)
directo)
Líneas de Telecomunicaciones
Cerca de, o
en la
estructura
Fuente de
daño S1 o S2
(corriente
inducida solo
para S1)
Impacto
Impacto en la
cerca de la
acometida de
acometida de
servicio
servicio
Fuente de
Fuente de
daño S4
daño S3
(impacto
(impacto
indirecto)
directo)
Forma de
onda:
10/350μs
Forma de
onda:
8/20μs
Forma de
onda:
10/350μs
Forma de
onda:
10/350μs
Medida:
5/300μs
(estimada:
8/20μs)
Cerca de, o
en la
estructura
Fuente de
daño S2
(corriente
inducida)
Forma de
onda:
8/20μs
(kA)
(kA)
(kA)
(kA)
(kA)
(kA)
III - IV
5
2,5
0,1
1
0,01 (0,05)
0,05
I - II
10
5
0,2
2
0,02 (0,1)
0,1
Para líneas apantalladas, los valores de las sobrecorrientes dados en la Tabla E.2 pueden ser
reducidos en un factor de 0,5.
NOTA Esto se hace asumiendo que la resistencia de la pantalla es aproximadamente igual a la resistencia en
paralelo de todos los conductores de la acometida de servicio.
E.3.2 Sobretensiones debidas a impactos cerca de la acometida de servicio (Fuente de
daño S4)
Las sobretensiones relacionadas con impactos cerca de la acometida de servicio tienen menor
energía que aquellas asociadas con impactos en la acometida de servicio (fuente de daño S3).
Valores de sobrecorriente esperados, asociados con un específico NPR son dados en la Tabla E.2.
Para líneas apantalladas los valores de la sobrecorriente dados en la Tabla E.2 pueden
reducirse en un factor de 0,5.
E.4
SOBRETENSIONES DEBIDAS A EFECTOS INDUCTIVOS (FUENTE DE DAÑO S1 o S2)
Las sobretensiones debidas a efectos inductivos de campos magnéticos, generados por
impactos de rayos cercanos (fuente de daño S2) o por corrientes de rayo fluyendo en DPS
externos o del apantallamiento espacial en una ZPR 1 (fuente de daño S1), tienen una forma de
onda de corriente típica 8/20μs. Tales sobretensiones deben ser consideradas cerca de o en
los terminales de los dispositivos ubicados dentro de una ZPR1 y en los limites de una ZPR 1/2.
E.4.1 Sobretensiones dentro de una ZPR1 no apantallada
Dentro de una ZPR 1 no apantallada (Ej. protegida solo por un SIPRA externo de acuerdo con
la NTC 4552-3 con espaciamiento mayor a 5 m) altas sobretensiones, relativamente, puede ser
esperadas debidas a los efectos de inducción de los campos magnéticos no atenuados.
Las sobrecorrientes esperadas, asociadas con un nivel NPR específico son dadas en la Tabla E.2.
63
NORMA TÉCNICA COLOMBIANA
NTC 4552-1
E.4.2 Sobretensiones dentro de zonas ZPR apantalladas
Dentro de ZPR con un adecuado espacio de apantallamiento (requiere de un espaciamiento
menor a 5 m de acuerdo con la normatividad nacional vigente o en su defecto la norma
IEC 62305-4 o los documentos normativos IEEE C62.41-1 e IEEE C62.41-2 o la normatividad
UIT serie K), la generación de sobretensiones debidas a efectos de inducción por campos
magnéticos es fuertemente reducida. En tales casos, las sobretensiones son mucho menores
que las obtenidas en el literal E.4.1.
El efecto de inducción dentro de una ZPR1 es mucho menor debido al efecto de atenuación del
campo en el espacio apantallado.
La sobretensión dentro una ZPR2 es fuertemente reducida debido al efecto en cascada de
ambos espacios de apantallamiento de la ZPR1 y la ZPR2.
E.5
INFORMACIÓN GENERAL RELACIONADA CON DPS
Para evitar que chispas, arcos eléctricos o cortocircuitos que puedan ser originados por
sobretensiones transitorias ya sea por impacto directo de rayo en la edificación, o en sus
acometidas de servicios (tales como electricidad, teléfono, gas, ductos metálicos), al igual que por
tensiones inducidas por impactos indirectos o lejanos, que puedan generar incendios, explosiones
o sobretensiones que pongan en riesgo vidas humanas; se debe equipotencializar las acometidas
de servicios, pantallas de cables, y otras partes metálicas normalmente no energizadas.
Los lineamientos expuestos están de acuerdo con los principios de coordinación de
aislamiento; por lo tanto, los equipos para los cuales se especifican los métodos de mitigación
deben tener definido una categoría de sobretensión; es decir, un nivel básico al impulso (BIL)
de acuerdo con su ubicación en las instalaciones. La categoría de sobretensión se presenta en
la Tabla E.3.
Tabla E.3. Tensión al impulso que deben soportar los equipos
Nivel de tensión de
operación de los equipos
V
120 – 240 ; 120 / 208
254 / 440 ; 277 / 480
Contadores
BIL requerido en (kV)
Tableros,
Electrodomésticos,
interruptores,
herramientas
cables, etc.
portátiles
Equipo
electrónico
Categoría IV
Categoría III
Categoría II
Categoría I
4
6
2,5
4
1,5
2,5
0,8
1,5
Las técnicas para el control de sobretensiones transitorias son:
1)
ABSORCIÓN. Es la conversión irreversible de energía de una onda electromagnética, en
otra forma de energía (normalmente calor) como resultado de la interacción con el
material que absorbe. El material es la causa de la conversión.
2)
AISLAMIENTO. Es la separación de dos o más superficies conductoras por medio de un
dieléctrico (incluyendo el aire), ofreciendo una alta resistencia al paso de la corriente.
3)
APANTALLAMIENTO. Es la instalación de elementos metálicos que se insertan alrededor
de los dispositivos que se desean proteger contra los efectos de un campo. El
apantallamiento actúa absorbiendo o reflejando parte de la energía contenida en un
campo.
64
NORMA TÉCNICA COLOMBIANA
NTC 4552-1
4)
CONEXIONES DEL SISTEMA DE PUESTA TIERRA. Es la aplicación de conceptos
estandarizadas para el diseño e instalación de las puestas a tierra y de la red equipotencial.
5)
EQUIPOTENCIALIZAR. Es la acción de Interconectar partes conductoras y/o conductores
activos con el sistema de puesta tierra por medio de conductores eléctricos y/o dispositivos
de protección contra sobre tensiones transitorias para llevarlas a la mínima diferencia de
potencial y así propender por la seguridad.
6)
FILTRAR. Es la modificación de las componentes de frecuencia de una señal mediante un
dispositivo que se coloca entre los terminales de un circuito eléctrico.
7)
MINIMIZAR LAZOS INDUCTIVOS. Es la aplicación de los conceptos de cableados (de
potencia y de telecomunicaciones) de manera que se reduzca la inductancia de los
circuitos de modo diferencial y de modo común.
La equipotencialización depende en gran medida de la combinación de las técnicas que se
apliquen en cada instalación. A continuación se presentan algunos aspectos que se deben
tener en cuenta para su selección e instalación.
a)
Reducir los efectos de la corriente del rayo, encerrando los cables con superficies
metálicas, las cuales deben ser conectadas con el sistema de puesta a tierra.
b)
Reducir los efectos inductivos, instalando apantallamientos localizados y ubicando los
cableados apropiadamente.
c)
Instalar barrajes equipotenciales - BE para conectar todas las pantallas de cables,
estructuras metálicas, entre otros, con el sistema de puesta a tierra.
d)
Conectar los conductores activos con el BE, mediante la aplicación de dispositivos de
protección contra sobre tensiones transitorias - DPS. Las características de los DPS
deben ser coordinadas con relación a la energía requerida (véase la normatividad
nacional vigente o en su defecto la norma IEC 62305-4 o los documentos normativos
IEEE C62.41-1 e IEEE C62.41-2 o la normatividad UIT serie K).
e)
En las acometidas de servicio los DPS se deben conectar entre los conductores activos
y la puesta a tierra o el conductor de puesta a tierra para equipos.
f)
Para instalaciones eléctricas, el nivel de protección de los DPS debe ser menor que el
nivel básico de aislamiento BIL dado para la Categoría II de la Tabla 11. La máxima
tensión de operación continua debe ser mayor o igual a 1,1 veces la tensión nominal
máxima del sistema.
g)
En caso de falla del DPS, la capacidad de cortocircuito del DPS junto con sus
mecanismos internos o externos de protección, debe ser igual o mayor que la máxima
corriente de cortocircuito esperada en el nodo de la instalación.
Los parámetros técnicos mínimos para especificar un DPS son: tensión nominal, máxima
tensión de operación continua, nivel de protección en tensión y la corriente nominal de
descarga.
La tensión nominal del DPS debe estar de acuerdo con lo establecido en la NTC 1340 para
corriente alterna y con la IEC 38 para corriente directa. Así mismo se debe tener en cuenta que
el régimen de conexión a tierra más utilizado en el sistema colombiano es el TN C-S, de
acuerdo con la convención de normas IEC. Véase la Figura 4.
65
NORMA TÉCNICA COLOMBIANA
NTC 4552-1
F
EQUIPO
N
PEN
PE
en donde
TNCS
sistema con el neutro puesto a tierra
PEN
conductor de neutro y de tierra de protección
PE
conductor de tierra de protección
Figura E.1. Sistema T-N-C-S (PME)
La corriente nominal de descarga es el valor cresta de la corriente de impulso para la que está
diseñado el DPS sin que se supere el nivel de protección en tensión, esta corriente nominal de
descarga debe ser mayor a lo establecido en la Tabla E.4:
Tabla E.4. Corriente nominal de descarga por fase
Nivel de Protección
IV
III
Onda de prueba
DPS con onda de prueba
DPS con onda de prueba 10/350 μs
8/20 μs
2 kA
20 kA
5 kA
50 kA
II
12,5 kA
125 kA
I
≥12,5 kA *
≥125 kA *
*
Por acuerdo entre cliente y proveedor
NOTA
Los valores de la tabla son aplicables por cada conductor activo en el punto de conexión de la acometida
(véase la NTC 2050).
NOTA Véase IEEE C 62.41-2:2002
66
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ANEXO F
(Normativo)
GUÍA GENERAL DE SEGURIDAD PERSONAL DURANTE TORMENTAS ELÉCTRICAS
Durante una tormenta eléctrica son evidentes los peligros a los que se exponen, no solo las
edificaciones y los sistemas eléctricos y electrónicos, sino las personas. Es por ello que se
deben conocer algunas recomendaciones para tener en cuenta durante una tormenta, evitando
riesgos para las personas.
El riesgo de ser alcanzado por un rayo es mayor entre las personas que trabajan, juegan,
caminan o permanecen al aire libre durante una tormenta eléctrica.
En la zona central colombiana (Cundinamarca, Antioquia, Boyacá, Santander, Caldas, Quindío,
Risaralda, Valle del Cauca y los llanos) la actividad de rayos es más intensa durante los meses
de abril, mayo, octubre y noviembre; en la zona caribe colombiana (Atlántico, Magdalena,
Sucre, Córdoba, Guajira) durante los meses de julio y agosto y en la zona sur (Amazonas,
Cauca y Putumayo) durante los meses de diciembre y enero.
La actividad de rayos se presenta generalmente en las tres zonas descritas entre las 2 y las 6
de la tarde y en algunas zonas especiales como el Magdalena Medio en horas de la noche y en
la madrugada.
Cuando se tenga indicios de tormenta eléctrica es recomendable, como medida de protección,
tener en cuenta las siguientes instrucciones:
-
Aterrice y proteja adecuadamente los equipos sensibles de uso eléctrico, electrónico,
telefónico o de comunicaciones contra sobretensiones de acuerdo con los criterios y
recomendaciones presentadas en esta norma, de lo contrario desconéctelos retirando el
enchufe del tomacorriente evitando así el uso de ellos.
-
Busque refugio en el interior de vehículos, edificaciones y estructuras que ofrezcan
protección contra rayos.
-
A menos que sea absolutamente necesario, no salga al exterior ni permanezca a la
intemperie durante una tormenta eléctrica.
-
Permanezca en el interior del vehículo, edificación o estructura hasta que haya
desaparecido la tormenta.
Protéjase de los rayos en:
-
Contenedores totalmente metálicos.
-
Refugios subterráneos.
-
Automóviles y otros vehículos cerrados con carrocería metálica.
-
Viviendas y edificaciones con un sistema adecuado de protección contra rayos.
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Estos sitios ofrecen poca o ninguna protección contra rayos:
-
Edificaciones no protegidas alejadas de otras viviendas.
-
Tiendas de campaña y refugios temporales en zonas despobladas.
-
Vehículos descubiertos o no metálicos.
Aléjese de estos sitios en caso de tormenta eléctrica:
-
Terrenos deportivos y campo abierto.
-
Piscinas, playas y lagos.
-
Cercanía a líneas de transmisión eléctrica, cables aéreos, vías de ferrocarril, tendederos
de ropa, cercas ganaderas, mallas eslabonadas y vallas metálicas.
-
Árboles solitarios.
-
Torres metálicas: de comunicaciones, de líneas de alta tensión, de perforación, etc.
Si debe permanecer en una zona de tormenta:
-
Busque zonas bajas.
-
Evite edificaciones sin protección adecuada y refugios elevados.
-
Prefiera zonas pobladas de árboles, evitando árboles solitarios.
-
Busque edificaciones y refugios en zonas bajas.
Si se encuentra aislado en una zona donde se este presentando una tormenta:
-
No se acueste sobre el suelo.
-
Junte los pies.
-
No escampe bajo un árbol solitario.
-
No coloque las manos sobre el suelo, colóquelas sobre las rodillas.
-
Adopte la posición de cuclillas.
Para comprobar que estas recomendaciones de la guía se conviertan en acciones preventivas
se presenta a continuación una lista de verificación que puede ser implementada y evaluada
periódicamente para tomar los correctivos que sean necesarios. Si las respuestas son
afirmativas en todos los casos se puede concluir que se están tomando las medidas adecuadas
para la protección del personal.
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PREGUNTA
RESPUESTA
¿Durante una tormenta eléctrica se evita que haya personal trabajando al aire libre?
¿Durante una tormenta eléctrica se evita que haya personal caminando al aire libre?
¿Durante una tormenta eléctrica se evita que haya personal que permanece al aire libre?
¿Durante una tormenta eléctrica permanece el personal, dentro de vehículos y
edificaciones?
¿Durante una tormenta se evita la cercanía del personal a terrenos deportivos y campo
abierto?
¿Durante una tormenta se evita la cercanía a piscinas, playas, lagos?
¿Durante una tormenta se evita la cercanía a líneas de transmisión, redes y subestaciones
eléctricas?
¿Durante una tormenta se evita la cercanía a torres de comunicaciones?
¿Durante una tormenta se evita escampar en árboles solitarios?
¿Durante una tormenta se evita la cercanía a vías de ferrocarril, oleoductos y ductos
metálicos?
¿Se aleja al personal durante una tormenta, de mallas eslabonadas, cercas, vallas
metálicas, tendederos de ropa?
¿Se evita que el personal se acerque durante una tormenta, a grandes tanques metálicos?
¿Durante una tormenta se aleja al personal de las partes altas?
¿Se evita el uso de vehículos no metálicos ante una tormenta?
¿Se utilizan contenedores totalmente metálicos, como refugio ante tormentas?
¿Se utilizan refugios subterráneos en caso de tormenta?
¿Se utilizan automóviles y otros vehículos cerrados con carrocería, como refugio ante
tormentas?
¿Se evita acostarse en el suelo mientras se está presentando una tormenta?
¿Se evita colocar las manos en el suelo mientras se está presentando una tormenta?
¿Se juntan los pies mientras se está presentando una tormenta?
¿Se adopta la posición de cuclillas por el personal que se encuentra aislado, mientras se
está presentando una tormenta?
¿Se evita la cercanía de árboles cuyas ramas están próximas a redes eléctricas?
¿Se desconectan los aparatos eléctricos cuando se inicia una tormenta?
¿Se desconectan los equipos telefónicos cuando se inicia la tormenta?
¿Se evita el uso de aparatos eléctricos en el momento de la tormenta?
¿Se evita el uso de aparatos electrónicos en el momento de la tormenta?
¿Se evita el uso de aparatos telefónicos en el momento de la tormenta?
¿Se evita el contacto con cables, alambres, tubería metálica de agua, energía, gas, etc.,
durante una tormenta?
TOTAL RESPUESTAS (Sí)
Porcentaje acciones positivas
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NORMA TÉCNICA COLOMBIANA
NTC 4552-1
BIBLIOGRAFÍA
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