Esta parte del RETIE tiene como principal objetivo crear una conciencia sobre los riesgos existentes en todo lugar donde se haga uso de la electricidad. Se espera que el personal calificado la aplique en función de las características de una actividad, un proceso o una situación en donde se presente el riesgo.
RETIE Articulo 5. Análisis de riesgos
La persona calificada responsable de la construcción de una instalación eléctrica debe evaluar el nivel de riesgo asociado a dicha instalación, teniendo en cuenta los criterios establecidos en las normas sobre soportabilidadde la energía eléctrica para seres humanos.
RETIE Numeral 5.1 Evaluación del riesgo
El rayo es un fenómeno meteorológico de origen natural, cuyos parámetros son variables espacial y temporalmente. La mayor incidencia de rayos en el mundo, se da en las tres zonas de mayor convección profunda: América tropical, África central y norte de Australia. Colombia, por estar situada en la Zona de Confluencia Intertropical, presenta una de las mayores actividades de rayos del planeta; de allí la importancia de la protección contra dicho fenómeno, pues si bien los métodos desarrollados a nivel mundial se pueden aplicar, algunos parámetros del rayo son particulares para esta zona.
RETIE Artículo 18º. Requisitos de protección contra rayos
“La contribución al circuito global está dominado por una superposición de efectos de las tres mayores
zonas de convección: Suramérica Tropical, Centro de África y el Continente Marítimo”(Wilson – Whipple, 1920 – 1930)
RETIE Numeral 18.1. Evaluación del nivel de riesgo frente a rayos
A partir de la entrada en vigencia del presente Reglamento Técnico, las centrales de generación, las líneas de transmisión, las redes de distribución y las subestaciones deben tener un estudio del nivel de riesgo por rayos, soportado en una norma técnica internacional, de reconocimiento internacional o NTC.
RETIE Numeral 18.1 Evaluación del nivel de riesgo frente a rayos
Igualmente, en instalaciones de uso final donde se tenga alta concentración de personas, tales como, viviendas multifamiliares, edificios de oficinas, hoteles, centros de atención médica, lugares de culto, centros educativos, centros comerciales, industrias, supermercados, parques de diversión, prisiones, aeropuertos, cuarteles, debe hacerse una evaluación del nivel de riesgo por exposición al rayo.
Para estos efectos, la evaluación debe considerar la posibilidad de pérdidas de vidas humanas, la perdida del suministro de energía, la perdida o graves daños de bienes, así como los parámetros del rayo para la zona tropical, donde está ubicada Colombia y las medidas de protección que mitiguen el riesgo; por tanto, debe basarse en procedimientos establecidos en normas técnicas internacionales como la IEC 62305-2, de reconocimiento internacional o la NTC 4552-2.
Numeral 18.1. Evaluación del nivel de riesgo frente a rayos
[Tomado del RETIE Agosto 2008]
RETIE Numeral 18.2 Diseño e implementación de un sistema de protección contre rayos
La protección se debe basar en la aplicación de un Sistema Integral de Protección, conducente a mitigarlos riesgos asociados con la exposición directa e indirecta a los rayos. En general, una protección contra rayos totalmente efectiva no es técnica ni económicamente viable.
Esta norma presenta los principios generales que deben seguirse en la protección contra rayos sobre:
•Estructuras, incluyendo sus instalaciones y contenidos, así como a las personas.•Servicios que entran a la estructura.
NTC 4552: Protección contra descargas eléctricas atmosféricas(2008-11-26)
Protección contra descargas
La norma NTC 4552 sobre la protección contra descargas eléctricas atmosféricas está compuesta de 5 partes:
Parte 1: Principios generales.Parte 2: Manejo del riesgo.Parte 3: Daños físicos a estructuras y amenazas a la vida.Parte 4: Daños físicos a equipos eléctricos y electrónicos.
(Por publicar)Parte 5: Daños físicos en la prestación de servicios.
(Por publicar)
• Parámetros del rayo.• Daños debido a rayos.• Necesidad y conveniencia de la protección
contra rayos.• Medidas de protección.• Criterios básicos para protección de
estructuras y acometidas.
NTC 4552 Parte 1: principios generales
NTC 4552 Parte 1: principios generales
• Parámetros del rayo.• Daños debido a rayos.• Necesidad y conveniencia de la protección
contra rayos.• Medidas de protección.• Criterios Básicos para protección de
estructuras y servicios.
• La descarga eléctrica atmosférica es conocida comúnmente como “ Rayo”.
• Es un fenómeno natural admirado, temido, interpretado y estudiado por las diferentes culturas a través de los siglos.
Descarga atmosférica
Cultura Acadia (2000 a.C.)Mitología Griega (Zeus).Mitología Nórdica (Thor). Cultura Maya (Chacs).Cultura Inca (Illapa).
Mitos y leyendas
Campaneros de la Edad Media.Siglo III D.C. (Santa Bárbarapatrona de los rayos 04-12).Iglesia de Santa Bárbara 1790.
Mitos y leyendas
Paraguas pararrayos de Barbeu-Dubourg, foto tomada del libro
de C. Gary
Recuento histórico
Hacia mediados del siglo XVIII, Benjamin Franklin empezó a experimentar con la electricidad utilizando la botella de Leyden, observando similitudes entre las descargas que obtenía y los rayos. Franklin demostró mediante el experimento de la cometa, que la electricidad del rayo era similar a la obtenida por fricción.
Recuento histórico
El principal invento de Franklin relacionado con los rayos fue el de la varilla pararrayos, el cual inicialmente pensó que podría producir descargas que neutralizan las nubes o que podrían guiar los rayos hacia ellos en lugar de que impactaran las casas, esto último es lo que realmente ocurre.
Recuento histórico
El invento del "pararrayos Franklin" fue completamente exitoso para las edificaciones, la principal preocupación en aquella época, quizá eso llevó a que no se realizaran mayores investigaciones y desarrollos al respecto.
Cuando aparecieron los sistemas eléctricos, a principios del siglo XX, se encontró que los rayos eran la principal causa de los problemas y se reinició la investigación en este campo.
Investigación sobre los rayos
Las descargas atmosféricas se producen por concentración de carga eléctrica en las nubes, originada por las fuertes corrientes de aire que ionizan las partículas de hielo y agua. En puntos de alto gradiente eléctrico se originan pequeñas descargas que van creando un canal ionizado por él que va avanzando la descarga.
Formación del rayo
+ + + + ++ + + + +
+++ + PP+ +++ ++++ ++
- -
_ _ _ _ _ _ __ _ _ _ _ _ _
_ _ _ _ N N _ _ __ _ __ _ _ _ _ _
__ + + +
+ PP
Tem
pera
tura
del
air
e al
rede
dor,
°C
Alt
ura
sobr
e el
ter
reno
, Km
.
12
10
8
6
4
2
30
15
- 7
- 18
- 33
- 45
- 55
0
Carga en la nube
Por el canal ionizado va avanzando una descarga en una serie de pasos, se denomina "Descarga Líder", la cual se va acercando al punto de carga opuesta que es la tierra. El líder desciende unos 50 a 100 m. en un microsegundo, unos 50 microsegundos después, cuando se ha acumulado de nuevo la carga, prosigue su avance, por esto se conoce también como líder escalonado.
Formación de la descarga
Cuando el líder se acerca a tierra o a algún objeto elevado, en éste se concentran cargas positivas y se producirán pequeñas descargas que van al encuentro del líder. Al cerrarse el camino entre nube y tierra, se produce una gran descarga de tierra hacia nube llamada "descarga de retorno", que es la etapa más energética del rayo y neutraliza la carga existente en la nube.
Formación de la descarga
Descargas a tierra y entre nubes
+ + + + ++ + + + +
+++ + PP+ +++ ++++ ++
- -
_ _ _ _ _ _ __ _ _ _ _ _ _
_ _ _ _ N N _ _ __ _ __ _ _ _ _ _
_ + + +
+ PP
+ + + + ++ + + + +
+++ + PP+ +++ ++++ ++
- -
_ _ _ _ _ _ __ _ _ _ _ _ _
_ _ _ _ N N _ _ __ _ __ _ _ _ _ _
_ + + +
+ PP
•Cantidad.•Multilicidad.•Forma de onda.•Magnitud de la corriente.•Rata de crecimiento de la corriente.•Polaridad.•Distancia de rompimiento.
Descarga atmosférica: parámetros
•Cantidad.•Multilicidad.•Forma de onda.•Magnitud de la corriente.•Rata de crecimiento de la corriente.•Polaridad.•Distancia de rompimiento.
Descarga atmosférica: parámetros
El número de descargas varía en cada sitio y no se han determinado maneras de calcularlo. La información debe ser obtenida con base en datos históricos. El indicativo mas simple de la actividad atmosférica de una región, es el nivel ceráunico, el cual estádefinido como el número de días al año en los cuales se escucha al menos un trueno
Cantidad de descargas
Nivel Cerá[email protected]
“Para obtener resultados que permitan comparación, se recomienda contar solamente
como días de tormenta aquellos en los cuales un trueno es oído y un relámpago es observado”
(International Meteorological Committee, Vienna, 1873
Cantidad de descargas
NC - Minas Gerais, [email protected]
QUIBDO
VENEZUELA
BRAZILECUADOR
PERU
PANAMA
PAC
IFIC
OC
EAN
EL BAGRE
BOGOTA D.C.
CHINU
MONTERIA
MEDELLIN
CALI
SAMANÁ
BARRANQUILLA
SABANALARGA
BUCARAMANGA
-78.0 -76.0 -74.0 -72.0 -70.0 -68.0
LONGITUDE
-4.0
-2.0
0.0
2.0
4.0
6.0
8.0
10.0
12.0
LATI
TUD
E
NC Colombia
60
70
90
61
8087
8173
78
105
78
105
94
76
107
9399
78
92
7478
66
53
88
68
575562
81
64
2928
y = -0,1536x2 + 608,9x - 603482R2 = 0,5864
25
35
45
55
65
75
85
95
10519
7019
7119
7219
7319
7419
7519
7619
7719
7819
7919
8019
8119
8219
8319
8419
8519
8619
8719
8819
8919
9019
9119
9219
9319
9419
9519
9619
9719
9819
9920
0020
01
Año
Día
s Tor
men
toso
s Año
Nivel Ceráuneo TENDENCIA
Variación temporal en Bogotá
La cantidad de descargas a tierra se denomina como Densidad de Descargas a tierra DDT y esta definida
como el numero de rayos que caen a tierra por kilómetro cuadrado por año.
Se relaciona con el Nivel Ceráunico con ecuaciones del tipo:
Densidad de descargas
xNC K = DDT a
Densidad de descargas a tierra
Existen diferentes aproximaciones que relacionan la densidad de descargas a tierra con el numero de días tormentosos por año. Estas relaciones poseen parámetros que son en alguna medida encontrados estadísticamente.
xNC = DDT 56.10017.0
Ciudad Latitud Longitud Densidad promedio
Barranquilla 10.9 -74.8 1
Bogotá 4.7 -74.2 1
Cali 3.6 -76.4 1
Ibagué 4.4 -75.2 2
Medellín 6.1 -75.4 1
Pasto 1.4 -77.3 1
Pereira 4.8 -75.7 4
Popayán 2.4 -76.6 1
Densidad de descargas para algunas ciudades de Colombia
-78.00 -76.00 -74.00 -72.00 -70.00 -68.00-4.00
-2.00
0.00
2.00
4.00
6.00
8.00
10.00
12.00
02468101214161820222426283032
DDT Colombia
•Cantidad.•Multilicidad.•Forma de onda.•Magnitud de la corriente.•Rata de crecimiento de la corriente.•Polaridad.•Distancia de rompimiento.
Descarga atmosférica: parámetros
•Cantidad.•Multilicidad.•Forma de onda.•Magnitud de la corriente.•Rata de crecimiento de la corriente.•Polaridad.•Distancia de rompimiento.
Descarga atmosférica: parámetros
Forma de onda de la descarga
La descarga es de muy corta duración, alcanzando su valor máximo en tiempos que varían entre 0.1 y 10 microsegundos, luego decreciendo exponencialmente entre 20 y 200 microsegundos.
Tiempo de frente: tiempo en el cual la onda alcanza su valor máximo.
Tiempo de cola: tiempo en que la onda decrece al 50% de su valor máximo.
•Cantidad.•Multilicidad.•Forma de onda.•Magnitud de la corriente.•Rata de crecimiento de la corriente.•Polaridad.•Distancia de rompimiento.
Descarga atmosférica: parámetros
Magnitud de la corriente pico
Los rayos generan corrientes de altísimo valor y de muy corta duración. Los valores pico de la corriente varían normalmente entre 3 y 400 kA, siendo su valor completamente aleatorio.
Magnitud de la corriente pico
Curvas acumulativas típicas de corriente A: de la AIEE B: de Popolansky C: de Anderson
Medias de la corriente pico
País Medida (kA)Estados unidos 23
Suiza 30Suecia 30Polonia 31Malasia 36Brasil 43
Rodesia 42Colombia 43
Probabilidad de una la corriente pico
La probabilidad de que una descarga seaigual superior a un determinado valor I, puedecalularse mediante ecuaciones como la de Anderson - Eriksson:
P(I) = 1 . 1 + (I/31)2,6
•Cantidad.•Multilicidad.•Forma de onda.•Magnitud de la corriente.•Rata de crecimiento de la corriente.•Polaridad.•Distancia de rompimiento.
Descarga atmosférica: parámetros
Polaridades promedio (1997-2001) en algunas ciudades colombianas
POLARIDADES PROMEDIO CIUDADES
68,8
89,9
76,9
60,070,5
15,829,5
40,026,3
23,110,1
73,784,2
31,2
0102030405060708090
100
BO
GO
TA
SA
MAN
A
PTO
BE
RR
IO
EL
BA
GR
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CH
I
MAG
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GU
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BQ
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LA
CIUDAD
PO
RC
EN
TAJE
[%]
POSITIVOS NEGATIVOS
Variación temporal de la polaridad
POLARIDAD MES A MES PROMEDIO NECHI 1997-2001
0
20
40
60
80
100
120EN
ERO
FEB
RE
RO
MA
RZO
ABR
IL
MA
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IO
JULI
O
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IEM
BR
E
PO
RC
EN
TAJE
[%]
POSITIVOS NEGATIVOS
•Cantidad.•Multilicidad.•Forma de onda.•Magnitud de la corriente.•Rata de crecimiento de la corriente.•Polaridad.•Distancia de rompimiento.
Descarga atmosférica: parámetros
Al acercarse un rayo a tierra hay un momento en que se produce el salto o rompimiento hacia el sitio más cercano.La distancia de rompimiento depende de la magnitud de la corriente de la descarga. Rayos con mayor carga, ocasionan rompimiento desde más grandes distancias
Distancia de rompimiento
Descarga atmosférica: efectos
Respecto a los rayos hay consenso mundial que no existen ni medios para evitarlos ni
sistemas de protección 100% eficaces.
Sin embargo, existen medidas para mitigar los riesgos para los seres humanos y bienes, cuya
efectividad depende de las instituciones en exigirlas y la actitud de las personas para
cumplirlas.
•En las personas.•En los sistemas eléctricos.•En las edificaciones.•En equipos eléctricos y electrónicos.
Descarga atmosférica: efectos
Descarga en sistemas eléctricos
Una descarga atmosférica sobre un sistema eléctrico puede originar voltajes muy superiores a los que soportan los aislamientos causando así rupturas o flameos .
•Descarga sobre los conductores de fase.•Descarga sobre una torre.•Descargas sobre el hilo guarda. •Descargas sobre una subestación.
Interrupción del servicio
Las descargas atmosféricas son responsables de cerca de 65% a 70% de las salidas de las líneas en sistemas con Vn ≤ 300 kV
Afectación a las edificaciones
Rayos a la estructura.
Rayos cerca a la estructura.
Rayos a las acometidas de servicios.
Rayos cerca a las acometidas de servicios.
• Parámetros del rayo.• Daños debido a rayos.• Necesidad y conveniencia de la protección
contra rayos.• Medidas de protección.• Criterios Básicos para protección de
estructuras y servicios.
NTC 4552 Parte 1: principios generales
Efecto de los rayos en estructuras….
Los efectos se relacionan con características dela estructura como:
• Tipo de construcción (madera, ladrillo etc.)• Función (vivienda, oficina, escuela etc.,)• Ocupantes y contenido (personas y animales,
combustibles etc.)• Acometidas entrantes (energía, telecomunicaciones etc.)• Medidas de protección.• Grado del peligro (dificultad de evacuación, peligro en
alrededores etc.)
Tipo de estructura según la función y/o el contenido Efectos del rayo
Casa de habitación Perforación de instalaciones eléctricas, fuego y daños materiales. Daño limitado normalmente a 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.
Edificación rural Riesgo primario de fuego y tensiones de paso peligrosas, así como daño material.Riesgo secundario causado por pérdida de energía y peligro de vida del ganado debido a la falla de control electrónico de ventilación y de suministro de alimento, etc.
Teatro, Hotel, Escuela, Almacén grande, aérea deportiva
Daño de instalaciones eléctricas probablemente causa de pánico.Fallo 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 la pérdida de comunicaciones, falla de computadores y pérdidas de datos.
Telecomunicaciones, Centrales Eléctricas Pérdidas inaceptables de servicio al público.
Efecto de los rayos en estructuras….
Tipo de acometida Efectos del Rayo
Líneas de telecomunicaciones
Daños mecánicos de la línea, derretimiento de pantallas y conductores, falla del aislamiento del cable y falla primaria del equipo principal a causa de inmediata pérdida del servicio.Fallas secundarias en los cables de fibra óptica con daño del cable pero sin pérdida del servicio.
Líneas de Energía
Daños en los aisladores de líneas aéreas de baja tensión. Perforaciones del aislamiento del cable de la línea, falla de aislamiento del equipo de línea y de transformadores con la consecuencia de perder servicio.
Tuberías de agua Daños a los equipos de control eléctrico y electrónico, probablemente causando la pérdida del servicio .
Tuberías de gas, Tuberías de combustible
Perforaciones de empaques no metálicos probablemente causando fuego y/o explosiones.
Efectos del rayo en acometidas
• S1: Rayos a la estructura
• S2: Rayos cerca a la estructura
• S3: Rayos en las acometidas de servicios
• S4: Rayos cerca a las acometidas de servicios
Fuente de daño: posición del impacto
• D1: Lesiones a seres vivos.
• D2: Daño físico a la estructura o acometida de servicios.
• D3: Falla de sistemas eléctricos o electrónicos.
Tipos básicos de daño
• L1: Pérdida de vidas humanas• L2: Pérdida de servicio público• L3: Pérdida de patrimonio cultural• L4: Pérdida de valor económico
Las perdidas L1, L2 y L3 son de valorsocial.
Tipo de perdidas
Punto de Impacto Fuente de Daño
Tipo de Daño
Tipo de Pérdida
Estructura
S1
D1 D2 D3
L1 L1, L2, L3, L4
L1, L4
Cerca de la estructura
S2 (D2)**, D3*** L1*, L2, L4
Acometida de servicio entrando a la estructura
S3 D1, D2, D3 L1, L2, L3, L4
Cerca de la acometida de servicio
S4 D3 L1*, L2, L4
Nota: Sin paréntesis: daños inmediatos y pérdidas. En paréntesis: Posibles daños críticos y pérdidas * En el caso de hospitales y de estructuras con riesgo de explosión ** En el caso de estructuras con riesgo de explosión *** En el caso de estructuras con sistemas electrónicos
• Parámetros del rayo.• Daños debido a rayos.• Necesidad y conveniencia de la protección
contra rayos.• Medidas de protección.• Criterios Básicos para protección de
estructuras y servicios.
NTC 4552 Parte 1: principios generales
Para definir si se requiere una protección se evalúa cual es el riesgo asociado a cada perdida, de acuerdo a NTC 4552-2 y se verifica si el riesgo total es mayor al tolerable.
R1: Riesgo de pérdida de vidas humanas.R2: Riesgo de pérdida de servicio público.R3: Riesgo de pérdida de patrimonio cultural.
Necesidad de protección contra rayos
La protección contra rayos es necesaria si el riesgo (Rt, R1, R2, R3) es mayor al que el valor tolerable y se adopta en orden de reducirlo a un valor dentro de lo tolerable.
Ri ≤ Rti
Necesidad de la protección contra rayos
La protección contra rayos es conveniente desde el punto de vista económico, si la suma del costo de perdidas con protección CRL más el costo de la protección CPM, es menor que el costo de perdidas sin protección CL.
CRL + CPM < CL
Conveniencia económica de la protección contra rayos
• Parámetros del rayo.• Daños debido a rayos.• Necesidad y conveniencia de la protección
contra rayos.• Medidas de protección.• Criterios Básicos para protección de
estructuras y servicios.
NTC 4552 Parte 1: principios generales
Medidas de protección
Para seres vivos.• Aislamiento de partes conductoras expuestas.• Equipotencializacion mediante un sistema de
puesta a tierra.• Restricciones físicas y avisos de prevención.
Para estructuras.• Sistema integral de protección SIPRA.
Para acometidas.• Conductor blindado.
Medidas de protección
Para equipos eléctricos y electrónicos.
• Dispositivos de protección contra sobretensiones DPS.
• Rutas adecuadas de cableado.• Anexiones a tierra y unión de
conductores.• Apantallamiento de cables.
Sistema Integral usado para reducir los daños físicos que pueden ser causados por el rayo a un ser vivo o a una estructura. Consiste en sistemas de protección externa e interna, además de medidas de seguridad y protección personal contra rayos.
Sistema Integral de Protección Contra Rayos SIPRA
• Parámetros del rayo.• Daños debido a rayos.• Necesidad y conveniencia de la protección
contra rayos.• Medidas de protección.• Criterios básicos para protección de
estructuras y servicios.
NTC 4552 Parte 1: principios generales
Niveles de protección contra rayos NPR
El factor de riesgo es el indicador que define el nivel de protección contra rayos NPR, que es necesario utilizar para proteger una determinada instalación.
La evaluación del factor de riesgo establece el NPR y este a su vez define la necesidad y tipo del sistema de protección SIPRA requerido.
Nivel de protección contra rayos NPR Clases del SIPRA
I III IIIII IIIIV IV
Tabla Nº 1.
NPR y SIPRA
Parámetros máximos del rayo
Los parámetros máximos del rayo no se superaran con una probabilidad del 99% para el NPRI, se reducen al 75% para NPRII y a 50% para NPRIII y IV. Estos son usados para diseñar los componentes de la protección.
Primera Descarga Corta NPR
Parámetro Símbolo Unidad I II III IV
Corriente pico I kA 200 150 100
Carga corta Qcorta C 100 75 50
Energía Especifica W/R KJ/Ω 10000 2625 2500
Tabla Nº 5.
Parámetros máximos del rayo…
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
Tabla Nº 6.
Parámetros mínimos del rayo
Los valores mínimos de corriente para cada NPR se utilizan para derivar el radio de la esfera rodante, en la definición de la zona de protección.
Parámetros mínimos del rayo
Probabilidad de que los parámetros sean
NPR
I II III IV
Menores al máximo definido en la tabla 5 0.99 0.98 0.97 0.96
Mayores al mínimo definido en la tabla 6 0.99 0.97 0.91 0.84
Tabla Nº 7.
Probabilidades de los límites de los parámetros del rayo
•Los efectos mecánicos del rayo se relacionan con el valor pico de la corriente (I) y la energía específica (W/R).
•La protección externa se diseña para la mas baja corriente que puede llegar.
Parámetros máximos y mínimos del rayo