nt c rayos medellin 06
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NORMA TNORMA TÉÉCNICA COLOMBIANA DE CNICA COLOMBIANA DE PROTECCIPROTECCIÓÓN CONTRA RAYOSN CONTRA RAYOS
FilosofFilosofíía y Resultadosa y Resultados
Horacio TorresHoracio Torres--SSááncheznchezProfesor Titular UN Profesor Titular UN -- Director PAASDirector PAAS--UNUN
Universidad Nacional de ColombiaUniversidad Nacional de Colombiawww.paas.unal.edu.cowww.paas.unal.edu.co
SEMINARIO INTERNACIONAL SEGURIDAD, RIESGO, SEMINARIO INTERNACIONAL SEGURIDAD, RIESGO, CALIDAD Y PROTECCIONES ELCALIDAD Y PROTECCIONES ELÉÉCTRICAS CTRICAS ––
MedellMedellíín 5, 6 y 7 de julio de 2006n 5, 6 y 7 de julio de 2006
AntecedentesAntecedentes
1993: 1993: Tercer Concurso Nacional sobre Tercer Concurso Nacional sobre NormalizaciNormalizacióón Tn Téécnica BASFcnica BASF--ICONTECICONTEC1994: Conformaci1994: Conformacióón CT 147. Reactivacin CT 147. Reactivacióón del n del WG 33.01 WG 33.01 ““LightningLightning”” CIGRECIGRE1999: Primera NTC45521999: Primera NTC45522002: Colombia miembro activo IEC TC81. 2002: Colombia miembro activo IEC TC81. ReestructuraciReestructuracióón normas IEC sobre n normas IEC sobre ““LightningLightning””2004: Segunda NTC45522004: Segunda NTC4552--2004 (vigente). 2004 (vigente). ReestructuraciReestructuracióón del CIGRE. Nuevo TFC4.04.4B n del CIGRE. Nuevo TFC4.04.4B ““LightningLightning in tropical in tropical regionsregions””20052005-- Armonizar IECArmonizar IEC--NTC NTC
En toda actividad de Ciencia y TecnologEn toda actividad de Ciencia y Tecnologíía es demostrable a es demostrable que no hay verdades absolutas sino certezas temporales. Un que no hay verdades absolutas sino certezas temporales. Un ejemplo de ello han sido los parejemplo de ello han sido los paráámetros del rayo medidos metros del rayo medidos por por BergerBerger entre la dentre la déécada de 1950 y 1970, que han servido cada de 1950 y 1970, que han servido como base para el desarrollo de las grandes investigaciones como base para el desarrollo de las grandes investigaciones de rayos en el mundo y en normalizacide rayos en el mundo y en normalizacióón internacional, que n internacional, que hoy son cuestionados con rigurosidad por mediciones hoy son cuestionados con rigurosidad por mediciones directas de pardirectas de paráámetros del rayometros del rayo11 en la misma zona templada en la misma zona templada donde fueron medidos hace 50 adonde fueron medidos hace 50 añños y por mediciones en os y por mediciones en zona tropicalzona tropical2,32,3..
11 DiendorferDiendorfer et. al. et. al. ““Statistical of lightning current parameters Statistical of lightning current parameters measurement at the measurement at the GeisbergGeisberg TowerTower””, ILDC, 2004, Ref 64., ILDC, 2004, Ref 64.2 2 F. de la Rosa, K. Cummins, L. F. de la Rosa, K. Cummins, L. DelleraDellera, G. , G. DiendorferDiendorfer, A. , A. GalvGalváánn, J. , J. HusseHusse, , V. Larsen, C.A. V. Larsen, C.A. NucciNucci, F. , F. RachidiRachidi, V. , V. RakovRakov, H. Torres and M.A. , H. Torres and M.A. UmanUman. . ““Characterization of lightning for applications in Electric PowerCharacterization of lightning for applications in Electric Power SystemsSystems””Journal Electra Journal Electra -- Technical Brochure No. 172, CIGRE WG. 33.01.02, Technical Brochure No. 172, CIGRE WG. 33.01.02, December 2000.December 2000.3 3 VisacroVisacro, S. , S. et.alet.al ““Statistical analysis of lightning current parameters: Statistical analysis of lightning current parameters: Measurements at Measurements at MorroMorro do do CachimboCachimbo stationstation”” Journal of Geophysical Journal of Geophysical Research JGR, Vol. 109, D01105. 2004.Research JGR, Vol. 109, D01105. 2004.
Pierce (1970)Pierce (1970)11 deduce deduce queque: : ““the mean the mean number of strokes per flash varied number of strokes per flash varied systematically with latitudesystematically with latitude””
Prentice and Prentice and MackerrasMackerras (1977)(1977)22: : obtained obtained empirical relationship between the ratio of empirical relationship between the ratio of cloud to cloudcloud to cloud--ground lightning flashes and ground lightning flashes and latitudelatitude..
1 Pierce, E.T. “Latitudinal variation of lightning parameters “J. Appl. Meteor., 9, 194-195, 1970.2 Prentice, S.A., Mackerras, D. “The Ratio of Cloud to Cloud-Ground Lightning Flashes in Thunderstorms”, Jour. Of App. Met. Vol. 16, pp. 545-550, 1977
La La estimaciestimacióónn de de corrientecorriente picopico de de rayorayo realizadarealizadaporpor Lee et al. en Kuala Lee et al. en Kuala LampurLampur (1979)(1979)33 : : ““support the support the statement that statement that larger stroke current values may be larger stroke current values may be expected in tropical countriesexpected in tropical countries. . ““
Orville (1990)Orville (1990)44 investiginvestigóó laslas variacionesvariaciones de de corrientecorriente picopico de la de la corrientecorriente de de retornoretorno del del rayorayocomocomo unauna funcionfuncion de la latitude y de la latitude y encontrencontróó queque: : ““the the generation of lightning strokes and their generation of lightning strokes and their characteristics may be a sensitive function of latitude characteristics may be a sensitive function of latitude and hence of temperatureand hence of temperature..””
33 Lee S.C., Lim K.K., Lee S.C., Lim K.K., MeiappaMeiappa M., M., LiewLiew A.C. A.C. ““Determination of Lightning Determination of Lightning Current using Frame AerialsCurrent using Frame Aerials””. IEEE Transactions on Power Apparatus . IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems. Vol. PASand Systems. Vol. PAS--98. No 5. Sep. /Oct. 1979.98. No 5. Sep. /Oct. 1979.44 Orville, R. Orville, R. ““PeakPeak--current variations of lightning return strokes as a current variations of lightning return strokes as a function of latitudefunction of latitude””, Nature, Vol. 343, Jan. 1990., Nature, Vol. 343, Jan. 1990.
Para estimar la corriente pico de rayo LPC Torres Para estimar la corriente pico de rayo LPC Torres et. al. (1996)et. al. (1996)55 realizaron 167 mediciones de campo realizaron 167 mediciones de campo elelééctrico con antenas de placa y el LLS instalado en ctrico con antenas de placa y el LLS instalado en Colombia. Colombia. Los Los resultadosresultados muestranmuestran: : ““ppreliminary reliminary evidence that LPC higher than in other latitudes evidence that LPC higher than in other latitudes could be expected for a tropical zone as Colombiacould be expected for a tropical zone as Colombia ““
VisacroVisacro et. al.et. al.66 encontrencontróó queque el valor el valor mediomedio de la de la corrientecorriente picopico de de rayorayo (40 and 45 kA for the first (40 and 45 kA for the first stroke and 16 kA for subsequent strokes) stroke and 16 kA for subsequent strokes) are higher are higher than other values of another referencesthan other values of another references
55 Torres, H., Torres, H., RondonRondon, D., , D., BriceBriceññoo, W., , W., BarretoBarreto, L., , L., ““Lightning peak Lightning peak current estimation analysis from field measurements in tropical current estimation analysis from field measurements in tropical zoneszones””, Proceedings 23rd. , Proceedings 23rd. ICLP, ICLP, FlorenceFlorence, , ItalyItaly , Sep.1996., Sep.1996.66 VisacroVisacro, S. , S. et.alet.al ““Statistical analysis of lightning current parameters: Statistical analysis of lightning current parameters: Measurements at Measurements at MorroMorro do do CachimboCachimbo stationstation”” Journal of Geophysical Journal of Geophysical Research JGR, Vol. 109, D01105. 2004.Research JGR, Vol. 109, D01105. 2004.
“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)
OTD - LIS
“Las magnitudes de los parámetros de la descarga eléctrica atmosférica
utilizados en aplicaciones en ingeniería (Nivel Ceráunico, Densidad de Rayos a Tierra,
Polaridad, Corriente de Retorno de Rayo y Rata de Ascenso de la
Corriente de Rayo) varían espacial y temporalmente. ”
Torres, H. “El Rayo”, Ed. UNIBIBLOS, Bogotá, 2002
Parámetros del rayo para aplicaciones en ingeniería
1.1. Nivel CerNivel Cerááunico.unico.2.2. Densidad de Descargas Densidad de Descargas
a Tierra.a Tierra.3.3. Amplitud de la corriente Amplitud de la corriente
de Retorno.de Retorno.4.4. Polaridad.Polaridad.5.5. MultiplicidadMultiplicidad66 Forma de impulso de la Forma de impulso de la
corriente de retorno
Espacio y Espacio y Tiempo Tiempo (CIGRE (CIGRE 2000)2000)
corriente de retorno
1. Nivel Ceráunico - Definición
“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)
NC - Francia
NC - USA
Nivel Ceráunico Región Occidental Cuba
NC - Minas Gerais, Brasil
NC ColombiaNC Colombia
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
Variación regional
VientosVientosAlisiosAlisios
Julio Julio -- Agosto Agosto
Abril Abril -- MayoMayo
Octubre Octubre -- NovbreNovbre..
Enero Enero -- FebreroFebrero
Variación Local
NECHI
EL BAGRE
671997
199857
34.78 km30.87 km
452000
542001
521999
9.48 km
45.39 km
Rosa Ceráunica Bogotá
S
N
NW
W
SW SE
E
NE
10
20
30
Rosa CerRosa Cerááunica Medellunica MedellíínnN
NW
W
SW SE
E
NE
10
20
30
Rosa CerRosa Cerááunica Caliunica CaliN
NW
W
SW SE
E
NE
10
20
30
Variación temporal NC Francia
0
14
23
28
31
21
y = -2,5707x 2 + 10197x - 1E+07R 2 = 0,9778
0
5
10
15
20
25
30
35
1980 1981 1982 1983 1984 1985
Año
Dia
sTor
mnt
osos
Año
NC Polinomica
Variación temporal NC MG (Brasil)
84
8785
68 68
64
57
6466
55
63
59
72
64
67
56
63
54
69
y = 0,176x 2 - 698,12x + 692240R 2 = 0,6164
5055
6065
7075
8085
90
1970 1972 1974 1976 1978 1980 1982 1984 1986 1988 1990
Año
Dia
sTor
men
toso
s Año
NC Polinomica
Variación Temporal NC Bogotá
60
70
90
61
8087
81
7378
105
78
105
94
76
107
9399
78
92
7478
66
53
88
68
57 5562
81
64
2928
y = -0,1536x2 + 608,9x - 603482R2 = 0,5864
25
35
45
55
65
75
85
95
105
1970
1971
1972
1973
1974
1975
1976
1977
1978
1979
1980
1981
1982
1983
1984
1985
1986
1987
1988
1989
1990
1991
1992
1993
1994
1995
1996
1997
1998
1999
2000
2001
Año
Día
s Tor
men
toso
s Año
Nivel Ceráuneo TENDENCIA
Hora de presentación de rayos
Hora
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23
Día
s Tor
men
toso
s -A
ño
Bogotá
Cali
Medellín
Variación local: Magdalena Medio, Colombia (50N, 750O)
0
500
1000
1500
2000
2500
30001 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24
Horas
Núm
ero
de R
ayos
Hora presentaciHora presentacióón rayos La Habanan rayos La Habana
VariaciVariacióón espacial Cuba n espacial Cuba
2. Densidad de Descargas a Tierra - DDT
NNúúmero de rayos a Tierra por kilmero de rayos a Tierra por kilóómetro metro cuadrado cuadrado -- aaññoo
Determinado porDeterminado por::Mediciones directas Mediciones directas Ecuaciones empEcuaciones empííricasricas
DDT FranciaDDT Francia
DDT EspaDDT Españñaa
Zonas con mZonas con máás alta densidad de s alta densidad de rayos en Europarayos en Europa11
1.- Tirana Rinas, Albania 9.4
2 .- Piacenza, Italia 9.1
3 .- Nápoles, Italia 9.0
4 .- Venecia, Italia 8.8
5 .- Sibiu Rumania 8.5
6 .- Barcelona, España 8.1 7 .- Adana, Turquía 8.0
1 Christian, H. J., R. J. Blakeslee, and S. J. Goodman,The detection oflightning from geostationary orbit, J. Geophys. Res. 2004
10 zonas con m10 zonas con máás alta densidad s alta densidad (rayos/km(rayos/km22--aañño) en el mundoo) en el mundo11
1.1.-- KamembeKamembe Ruanda Ruanda 82,782,72.2.-- BoendeBoende R. Dem. del CongoR. Dem. del Congo 66,366,33.3.-- LusamboLusambo R. Dem. del Congo R. Dem. del Congo 52,152,14.4.-- Kananga Kananga R. Dem. del CongoR. Dem. del Congo 50,350,35.5.-- Kuala Kuala LumpurLumpur Malasia Malasia 48,348,36.6.-- Calabar Calabar Nigeria Nigeria 47,447,47.7.-- Franceville Franceville GabonGabon 47,147,18.8.-- Posadas Posadas Argentina(?)Argentina(?) 42,742,79.9.-- OcaOcañña a Colombia Colombia 39,939,910.10.-- ConcepciConcepcióón n Paraguay(?)Paraguay(?) 37,037,0
1 Christian, H. J., R. J. Blakeslee, and S. J. Goodman, The detectionof lightning from geostationary orbit, J. Geophys. Res. 2004
Zonas con mZonas con máás alta densidad de s alta densidad de rayos en rayos en SuramericaSuramerica
1.1.-- Posadas,Posadas, Argentina(?)Argentina(?) 42.742.7
2.2.-- OcaOcañña,a, ColombiaColombia 39.9 39.9
3.3.-- ConcepciConcepcióónn Paraguay(?)Paraguay(?) 37.0 37.0
4.4.-- Campo GrandeCampo Grande BrasilBrasil 32.9 32.9
5.5.-- Reconquista,Reconquista, Argentina(?)Argentina(?) 32.432.4
6.6.-- Porto Nacional,Porto Nacional, BrasilBrasil 31.6 31.6
7.7.-- Belem,Belem, BrasilBrasil 26.626.6
8.8.-- JuizJuiz de de ForaFora,, BrasilBrasil 25.8 25.8
9.9.-- MaipuresMaipures,, ColombiaColombia 24.624.6
10.10.-- Yurimaguas,Yurimaguas, PerPerúú 21.6 21.6
11.11.-- CarauariCarauari,, BrasilBrasil 19.619.6
Densidad rayos a tierra Densidad rayos a tierra -- ColombiaColombia
-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
Densidad rayos a tierra Densidad rayos a tierra -- ColombiaColombia
0.0
5.0
10
15
20
25
30
35
40
45
-75.40 -75.20 -75.00 -74.80 -74.60 -74.40 -74.20
7.20
7.40
7.60
7.80
8.00
8.20
8.40
REMEDIOSEL BAGRE
NECHI
0.0
5.0
10
15
20
25
30
35
40
45
AnAnáálisis Observacionallisis Observacional
-76.00 -75.00 -74.00
5.00
6.00
7.00
8.00
9.00
10.00
BOGOTA D.C.
SAMANÁQUIBDO
MEDELLIN
PUERTO BERRIOREMEDIOS
EL BAGREBMANGA
NECHIMONTERIA
CHINU
MAGANGUE
SABANALARGA
-76.00 -75.00 -74.00
5.00
6.00
7.00
8.00
9.00
10.00
BOGOTA D.C.
SAMANÁQUIBDO
MEDELLIN
PUERTO BERRIOREMEDIOS
EL BAGREBMANGA
NECHIMONTERIA
CHINU
MAGANGUE
SABANALARGA LIS
RECMA
Volver
ALTO
MEDIO
BAJO
Ecuaciones de DDT en función de NC
EcuaciEcuacióón n PropuestaPropuesta
AutorAutor DDT, DDT, NC=57NC=57(( 1995)1995)
DDT, DDT, NC=68NC=68(1994)(1994)
DDT, DDT, NC=88NC=88(1993)(1993)
DDT medido DDT medido en Bogoten Bogotáá
-- 0.60.6 1.21.2 2.42.4
0.053*(NC)0.053*(NC)1.11.1
77Eriksson, AfricaEriksson, Africa 66 7.47.4 1010
0.04*(NC)0.04*(NC)1.251.25 Eriksson, IEEEEriksson, IEEE 6.36.3 7.87.8 10.810.8
0.15*(NC)0.15*(NC) Brown, USABrown, USA 8.68.6 10.210.2 13.213.2
0.1*(NC)0.1*(NC) AiyaAiya, India, IEC, India, IEC 5.75.7 6.86.8 8.88.8
0.14*(NC)0.14*(NC) AndersonAnderson 88 9.59.5 12.312.3
0.17*(NC)0.17*(NC) Horn, U.S.AHorn, U.S.A 9.79.7 11.611.6 1515
0.0017.NC0.0017.NC1.561.56 Torres, ColombiaTorres, Colombia 0.930.93 1.221.22 1.831.83
Correlación DDT y NC
DDT DDT = 0.024.= 0.024.NC NC 1.121.12 MMééxicoxico
DDT =0,030.NC DDT =0,030.NC 1,121,12 Brazil Brazil
DDT =0,0017.NCDDT =0,0017.NC1,56 1,56 ColombiaColombia
Proposal IEEE 1410IEC 62305-2““NOTENOTE-- If the map of Ng is not available, it may be estimated in If the map of Ng is not available, it may be estimated in several ways:several ways:The GFD The GFD for temperate regionsfor temperate regions may be estimated from the keraunic may be estimated from the keraunic level using equation:level using equation:
Ng = 0.04*TdNg = 0.04*Td1.25 1.25 (IEEE(IEEE))Ng = 0,1Td (IEC) Ng = 0,1Td (IEC)
In the case of In the case of tropical regionstropical regions, the GFD may be estimated from the , the GFD may be estimated from the keraunic level using the results found in mountainous regions ofkeraunic level using the results found in mountainous regions ofMexico, Brazil and Colombia as follows:Mexico, Brazil and Colombia as follows:
Ng = 0.024Ng = 0.024×× Td 1.12 MTd 1.12 MééxicoxicoNg =0,030.Td 1,12 Brazil Ng =0,030.Td 1,12 Brazil
Ng =0,0017.Td1,56 ColombiaNg =0,0017.Td1,56 Colombia
Where Where Td is the number of thunderstorm days per year (the keraunic Td is the number of thunderstorm days per year (the keraunic level)level)””
IEC 62305-2, TC81, Seúl 27.08.2004
3. Amplitud de la corriente de 3. Amplitud de la corriente de retorno del rayoretorno del rayo
La amplitud de la corriente de retorno La amplitud de la corriente de retorno de la descarga elde la descarga elééctrica atmosfctrica atmosféérica rica es frecuentemente referida como el es frecuentemente referida como el parparáámetro mmetro máás importante para s importante para aplicaciones en ingenieraplicaciones en ingenieríía.a.
Determinado porDeterminado por::Modelos matemModelos matemááticosticosMediciones directasMediciones directas
¿¿CCóómomo hanhan sidosido desarrolladosdesarrollados loslosmodelosmodelos existentesexistentes??
UsandoUsando observacionesobservaciones experimentalesexperimentales
HaciendoHaciendo hiphipóótesistesisComparandoComparando resultadosresultados teteóóricosricos y y experimentales
------
experimentales
ModeloModelo de de LLííneanea de de TransmisiTransmisióónn
TiempoTiempo
Cor
rient
eC
orrie
nte
CorrienteCorriente en la base del en la base del canalcanal
¿¿CCóómomo se se determinadetermina la la corrientecorrienteremotamenteremotamente??
Campo Campo elelééctricoctricomedidomedido
PosiciPosicióónn de la de la descargadescarga
ModeloModelo teteóóricorico o o empempííricorico
Ecuaciones y Modelos de Amplitud Ecuaciones y Modelos de Amplitud de la Corriente de Retorno del Rayode la Corriente de Retorno del Rayo
Modelo Modificado de Línea de Transmisión (MTL):
Ecuación de Rakov-Willet (R-W):
Ecuación de Rakov- Dulzon (R-D):
Modelo de Cooray:
Ic Dv
Ep v=2 2
0π ε
I D Ep v= − ⋅1 5 0 037. .
I e D EpD
v= − ⋅ ⋅− ⋅( . . ),27 0 26 5 0 07
I D Ep v= ⋅ ⋅0 053 0 928. ( ) ,
Formas de Onda Formas de Onda EEvv
Ondas Lejana y CercanaOndas Lejana y Cercana
Mediciones amplitud de corriente Mediciones amplitud de corriente en Colombiaen Colombia
Explodedlightning arrester( SiC)
5.76.5152°58'05"
5,2114:26:18.475
25/02/934
Broken insulatorstring
39.537.390°50'4,1413:56:33.081
25/02/933
Broken shieldwire
57.553.243°13,314:31:24.442
25/02/932
Broken shieldwire, burnedoptical fiber, electronicequipmentdamage in a hotel 2 km away.
5.636.4227°53'25"
8,5016:12:05.259
12/02/931
EffectIR(kA)ITLM (kA)
AngleDist.(Km)
TimeDate(d/m/y)#
ITLM : Current calculated with the Transmission Line ModelIR: Current calculated using the formula derivated by Rakov
EffectIR(kA)
ITLM (kA)
AngleDist.(Km)
TimeDate(d/m/y)#
Damagedelectronicequipment
15.515.3196°45'
163,513:21:05.129
04/11/938
"106.597.3335°159,423:47:49.354
04/11/927
"33.731.7333°175,603:05:49.980
25/10/926
Distance relaytripping
36.334333°176,822:59:35.711
01/10/925
Variación Regional corriente de rayo
0,0%
20,0%
40,0%
60,0%
80,0%
100,0%
1 10 100
Corriente Pico de la Descarga [kA]
Prob
abili
dad
CIGRE (1979) Cachimbo, BRAZIL (1996) Lee, MALAYSIA (1979)PAAS, COLOMBIA (1995) Anderson, RHODESIA (1954)
Valor pico de la corriente de retorno del rayo en Valor pico de la corriente de retorno del rayo en diferentes zonas del planeta (Adaptado de Lee et. al. diferentes zonas del planeta (Adaptado de Lee et. al. 1979)1979)
País Mediana (kA)Estados Unidos 23
Suiza 30Suecia 30Polonia 31Malasia 36Brasil1 43
Rodesia 42Colombia2 43
1 Monte Cachimbo, Minas Gerais, Brasil 20042 Valor estimado mediante mediciones de campo eléctrico a menos de 100 km. y aplicando el modelo MTL. Torres, H. “El Rayo, mitos, leyendas, ciencia y tecnología”, Editorial UNIBIBLOS, Bogotá, 2002.
Corriente pico de la primera Corriente pico de la primera descarga de retorno negativa descarga de retorno negativa
Zona Media δln
Templada 31.1 0.48
Tropical 45.3 0.39
5. Polaridad 5. Polaridad –– AnAnáálisis Espaciallisis EspacialPOLARIDADES 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
100BO
GO
TA
SA
MA
NA
PTO
BE
RR
IO
EL
BA
GR
E
NEC
HI
MA
GA
NG
UE
BQ
UIL
LA
CIUDAD
PO
RC
EN
TAJE
[%]
POSITIVOS NEGATIVOS
Polaridad Polaridad –– AnAnáálisis Temporallisis TemporalPOLARIDAD MES A MES PROMEDIO NECHI 1997-2001
0
20
40
60
80
100
120EN
ERO
FEB
RE
RO
MA
RZO
ABR
IL
MA
YO
JUN
IO
JULI
O
AGO
STO
SE
PTI
EM
BR
E
OC
TUBR
E
NO
VIE
MB
RE
DIC
IEM
BR
E
PO
RC
EN
TAJE
[%]
POSITIVOS NEGATIVOS
Volver
6. Multiplicidad 6. Multiplicidad –– AnAnáálisis Espaciallisis EspacialMULTIPLICIDAD PROMEDIO AME 1997-2001
0102030405060708090
100
1 2 3 4 5 6NUMERO STROKE
PO
RC
EN
TAJE
[%]
POSITIVOS NEGATIVOS
MULTIPLICIDAD PROMEDIOPOSITIVOS 1,14NEGATIVOS 1,87TOTAL 1,64
…… por razones de confiabilidad, econompor razones de confiabilidad, economíía a y seguridad, es recomendable que la y seguridad, es recomendable que la
magnitud de los parmagnitud de los paráámetros del Rayo, metros del Rayo, estimados regionalmente en Zonas estimados regionalmente en Zonas
Templadas (Normas internacionales), no Templadas (Normas internacionales), no sean directamente aplicados a Zonas sean directamente aplicados a Zonas
Tropicales, sino los que se vienen Tropicales, sino los que se vienen
encontrando por investigaciones localesencontrando por investigaciones locales……
FormaciFormacióón de la Descargan de la Descarga1.1. Encendido de la descarga (Encendido de la descarga (PreliminaryPreliminary
breakdownbreakdown))2.2. LLííder escalonado (der escalonado (SteppedStepped leaderleader))3.3. Proceso de enlace (Proceso de enlace (AttachmentAttachment processprocess))4.4. Descarga de Retorno (Return stroke)Descarga de Retorno (Return stroke)5.5. Corriente continua (Corriente continua (ContinuingContinuing currentcurrent))6.6. Componentes M (M Componentes M (M componentscomponents))7.7. Cambios K (K Cambios K (K changeschanges))8.8. Descargas subsecuentes (Descargas subsecuentes (SubsequentSubsequent
strokesstrokes))9.9. LLííder dardo (der dardo (DartDart leaderleader))
Distribución de carga en la nube
+ + + + ++ + + + +
+++ + PP+ +++ ++++ ++
- -
_ _ _ _ _ _ __ _ _ _ _ _ _
_ _ _ _ N N _ _ __ _ __ _ _ _ _ _
__ + + +
+ PP
12
10
8
6
4
2
30
15
- 7
- 18
- 33
- 45
- 55
0
Tem
pera
tura
del
air
e al
rede
dor,
°C
Alt
ura
sobr
e el
ter
reno
, Km
.
Que es un rayoQue es un rayo
+ + + + ++ + + + +
+++ + PP+ +++ ++++ ++
- -
_ _ _ _ _ _ __ _ _ _ _ _ _
_ _ _ _ N N _ _ __ _ __ _ _ _ _ _
_ + + +
+ PP
+ + + + ++ + + + +
+++ + PP+ +++ ++++ ++
- -
_ _ _ _ _ _ __ _ _ _ _ _ _
_ _ _ _ N N _ _ __ _ __ _ _ _ _ _
_ + + +
+ PP
+ + + + +
R
Tipos de rayosTipos de rayos
_
_
L
R
L_
L+
_
+++ ++ + + +
_ __
__
_
L+
L+
L__ _ _ _ _ _ _ _
++ +
+ ++
++
R
R R
Rayos descendentesRayos descendentes
Rayos ascendentesRayos ascendentes
Nube
h2
h1
Tierra
Punto de acople
Canal con efecto corona
Canal sin efecto corona
_
Onda rayo Ilyapa
Rayo IlyapaRayo Ilyapa
23.12.02 / S2930
Proceso de las descargas disruptivas Proceso de las descargas disruptivas para proppara propóósitos de proteccisitos de proteccióónn
1.1. Encendido de la descarga Encendido de la descarga ((PreliminaryPreliminary breakdownbreakdown))
2.2. LLííder escalonado (der escalonado (SteppedStepped leaderleader))3.3. Proceso de enlace (Proceso de enlace (AttachmentAttachment
processprocess))……
Canal descendente negativo
Nube de carga negativa
Ramificaciones ascendentes positivas
unipolar / unidireccional bipolar / unipolar / unidireccional bipolar / bidireccionalbidireccional
1.1. Encendido de la Descarga Encendido de la Descarga ((PreliminaryPreliminary breakdownbreakdown))
El inicio de la DEAT negativa se debe a la formaciEl inicio de la DEAT negativa se debe a la formacióón de n de penachos (penachos (streamersstreamers) dentro de la nube (en la regi) dentro de la nube (en la regióón n inferior de carga negativa), a causa de los altos campos inferior de carga negativa), a causa de los altos campos elelééctricos allctricos allíí presentes (de 0.1 a 1 MV/m).presentes (de 0.1 a 1 MV/m).
La propagaciLa propagacióón de estos penachos lleva a la recombinacin de estos penachos lleva a la recombinacióón n de cargas en la base de la nube y a la formacide cargas en la base de la nube y a la formacióón de un canal n de un canal elelééctrico a partir del cual comienza a desarrollarse el lctrico a partir del cual comienza a desarrollarse el lííder der del rayo.del rayo.
El concepto unipolar fue propuesto inicialmente porEl concepto unipolar fue propuesto inicialmente porSchonlandSchonland (1938)(1938) y asume que el rayo es iniciado por el y asume que el rayo es iniciado por el desarrollo de penachos unipolares.desarrollo de penachos unipolares.
2. L2. Lííder escalonado der escalonado ((SteppedSteppedleaderleader))
Este surge de la regiEste surge de la regióón de encendido n de encendido de la descarga generando de la descarga generando variaciones considerables del campo variaciones considerables del campo elelééctrico y pulsos VHF de corta ctrico y pulsos VHF de corta duraciduracióón.n.
Esta compuesto por un nEsta compuesto por un núúcleo de cleo de plasma altamente conductivo, cuyo plasma altamente conductivo, cuyo radio esta entre 0.01 y 0.5 m.radio esta entre 0.01 y 0.5 m.
La propagaciLa propagacióón del ln del lííder descendente der descendente negativo es posible debido al intenso negativo es posible debido al intenso campo elcampo elééctrico alrededor de su ctrico alrededor de su punta (mayor a 2 MV/m).punta (mayor a 2 MV/m).
3. Proceso de enlace 3. Proceso de enlace ((AttachmentAttachment processprocess))
A medida que el líder escalonado se acerca a tierra el campo eléctrico en objetos o estructuras en ella se incrementa, especialmente sobre puntas, esquinas y protuberancias. En este proceso se dan 3 etapas:
a.Inicio y propagación de penachos.
b.Transición de penachos a líder y su propagación.
c.Conexión entre líderes descendente y ascendente
a. Inicio y propagación de penachos:
Debido al aumento del campo eléctrico en los objetos en tierra, ocurre ionización del aire en las regiones donde éste es más intenso generando una avalancha de cargas.
Para estimar el campo eléctrico crítico (E0Kv/cm) de inicio de penachos el estudio más reconocido es el llevado a cabo por Peek, que para cilindros concéntricos, de radio interior “r” es:
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛δ
+δ=r.
308,01..31E0
b. Transicib. Transicióón de penachos a n de penachos a llííder y su propagacider y su propagacióónn
Gran parte de los penachos Gran parte de los penachos tienen un canal ratienen un canal raííz en comz en comúún n llamado tronco (llamado tronco (stemstem) y la ) y la suma de las corrientes de suma de las corrientes de todos los penachos individuales todos los penachos individuales fluyendo a travfluyendo a travéés del tronco s del tronco puede elevar su temperatura puede elevar su temperatura llevlleváándolo a un aumento de la ndolo a un aumento de la ionizaciionizacióón y de la produccin y de la produccióón n de electrones. Este proceso de electrones. Este proceso transforma el tronco en un transforma el tronco en un canal caliente de mayor canal caliente de mayor energenergíía y conductividad a y conductividad llamado lllamado lííder.
------
------------
++++
++++ ++
----
----++ ++
++ ++++
++----
++++
++----
++++----
++++
----++
++
++++
++++
++ ++++
++++
++ ------
--------
----++
++
----++
++----
++++
++-- ++-- ++--++-- ++-- ++--
++-- ++-- ++--++-- ++-- ++--
++-- ++-- ++--++-- ++-- ++--
++-- ++-- ++--++-- ++-- ++--
++ ++ ++
der.
b. Transicib. Transicióón de n de penachos a lpenachos a lííder y su der y su propagacipropagacióónn
posterior a la ionización se produce un avance de las descargas formando un canal ionizado, lo que implica, velocidades de avance.
negativa descendenteV cm/µs
H (m)positiva ascendente
Velocidad media en los canales en función de la altura sobre el terreno (H) (nº de observaciones) (CIGRE)
b. Transicib. Transicióón de penachos a ln de penachos a lííder y su propagacider y su propagacióónncrecimiento de un canal ionizadocrecimiento de un canal ionizado
Lalande P. (1997):
Además de las condiciones de formación del líder +, este debe ser capaz de propagarse a grandes distancias, con campo ambiente necesario para que:
se forme corona;
se forme el líder;
el líder se propague de manera estable
b. Transicib. Transicióón de penachos a ln de penachos a lííder y su propagacider y su propagacióónncrecimiento de un canal ionizadocrecimiento de un canal ionizado
LalandeLalande propuso el concepto de campo de propuso el concepto de campo de estabilizaciestabilizacióón, el cual es el campo eln, el cual es el campo elééctrico del ctrico del ambiente necesario para producir un lambiente necesario para producir un lííder capaz de der capaz de propagarse de manera estable:propagarse de manera estable:
EoEo < < EEstab_Lalandestab_Lalande la descarga avanza de manera la descarga avanza de manera inestable (avanza algunos pasos inestable (avanza algunos pasos -- no progresa).no progresa).
EoEo > > EEstab_Lalandestab_Lalande la descarga avanza de manera la descarga avanza de manera estable
12
101
240_ +
+=
hE Lalandestab
estable
c. Conexión entre líderes descendente y ascendente
La conexión exitosa entre el líder descendente y el ascendente depende de su distribución de carga, dirección y velocidad. Sin embargo, cuando los penachos que emanan de las puntas de los líderes logran contactarse mutuamente, se completa el último paso de la descarga, más conocido como el salto final
a b c
En la actividad de protecciEn la actividad de proteccióón de las estructuras n de las estructuras contra el rayo, las normas toman en consideracicontra el rayo, las normas toman en consideracióón n solamente la tercera etapa (c) mediante los solamente la tercera etapa (c) mediante los conceptos:conceptos:
distancia de cebado, radio de atraccidistancia de cebado, radio de atraccióónn
recomendando el uso del modelo recomendando el uso del modelo electrogeomelectrogeoméétricotrico(esfera rodante) como herramienta para posicionar (esfera rodante) como herramienta para posicionar los captadores en las estructuras. los captadores en las estructuras.
••es un modelo incompleto y objeto de trabajo de es un modelo incompleto y objeto de trabajo de numerosos investigadores;numerosos investigadores;••tiene la cualidad de la simplicidad de su manejo,tiene la cualidad de la simplicidad de su manejo,••las otras dos etapas aunque conocidas, no estlas otras dos etapas aunque conocidas, no estáán n aaúún plasmadas en normas de aplicacin plasmadas en normas de aplicacióón.n.
c. salto en el intervalo y transición a una descarga autosostenida
Distancia de cebadoDistancia de cebado
BergerBerger (1975), deduce, (1975), deduce, experimentalmente, la relaciexperimentalmente, la relacióón n entre la carga total (Q) del entre la carga total (Q) del llííder negativo y la corriente de der negativo y la corriente de la primera descarga de retorno la primera descarga de retorno (I)(I)
I (kA)=15Q(C)I (kA)=15Q(C)
CIGRE CIGRE rrscsc (m)=10.I(m)=10.I0,650,65 (kA)
+++ ++ +
--
-
-
-
-
- - -- --
-
-- -d
d=distancia de cebado El impacto se produceen la superficie que antes toque la esfera con radio la distancia de cebado
+ + +++
(kA)
Modelo Modelo electrogeomelectrogeoméétricotrico; relaciona la carga del l; relaciona la carga del lííder der ––y la corriente pico de la primera descarga de retornoy la corriente pico de la primera descarga de retorno
Radios en el proceso de captación
( )bsc iAr max.=Distancia de Impacto a Distancia de Impacto a
TierraTierraDistancia de Impacto a Distancia de Impacto a
conductor de altura hconductor de altura h
AA bb AA bb
YoungYoung et al et al (1963)(1963) 2727 0.320.32 1200/(4621200/(462--h) h)
A > 27A > 27 0.320.32
ArmstrongArmstrong(1964)(1964) 66 0.80.8 6.76.7 0.80.8
BrownBrown(1969)(1969) 6.46.4 0.750.75 7.17.1 0.750.75
LoveLove (1973)(1973) 1010 0.650.65 1010 0.650.65
AndersonAnderson(1982)(1982) 6.4, 8 o 106.4, 8 o 10 0.650.65 1010 0.650.65
IEEE (1985)IEEE (1985) 5.12, 6.4 o 85.12, 6.4 o 8 0.650.65 88 0.650.65
ErikssonEriksson(1987)(1987) nana nana 0.67h0.67h0.60.6 0.740.74
RizkRizk (1997)(1997) nana nana 1.57h1.57h0.450.45 0.690.69
AutorAutor
Distancia de Impacto rsc IEC 62305
( ) 65.0max.10 irsc =
Modelo Modelo BiBi--liderlider ((PhDPhD PAASPAAS--UN)UN)
Canal tortuoso del lCanal tortuoso del lííderder
Canal tortuoso y ramificadoCanal tortuoso y ramificado
Distancia de impacto teniendo en cuenta Distancia de impacto teniendo en cuenta tortuosidad del canal y ramificaciones NTC4552tortuosidad del canal y ramificaciones NTC4552
rsc = 4.I0.8
UbicaciUbicacióón de impactos observados en n de impactos observados en edificaciones de Malasiaedificaciones de Malasia
A B
CD E
F
GH
ABC
D
E
FG
HI
Porcentaje de impacto directo en Porcentaje de impacto directo en estructuras estructuras
Localización del impacto Porcentaje de ocurrencia [%]
Puntas y esquinas > 80
Bordes horizontaleshorizontales < 10
Bordes verticales < 5
Superficies planas < 1
Probabilidad de impactos directos con Probabilidad de impactos directos con canal tortuoso sin y con ramascanal tortuoso sin y con ramas
Probabilidad estimada de impacto directo [%] sin y con ramas
Parámetros de corriente de zona tropical
Parámetros de corriente
de zona templada
Torres Faber
Edificios bancarios
Torres Faber
Edificios bancarios
Puntas y esquinas 83 / 78 97 / 91 78 / 71 91 / 84
Bordes horizontales 15 / 19 2.8 / 8.4 19.7 / 26 8.8 / 15
Techo plano 1.6 / 2.8 0.25 / 0.3 2.6 / 3.4 0.4 / 0.5
Localización del impacto
¿¿Como se miden los rayosComo se miden los rayos??
Procedimientos de Medición y Localización
Indirecta: Sensores de Campo Indirecta: Sensores de Campo ElectromagnElectromagnéético a distanciatico a distancia
Directa: Directa: Torres instrumentadasinstrumentadas
Sistemas ComercialesSistemas Comerciales de de LocalizaciLocalizacióón Indirecta de Rayosn Indirecta de Rayos
SISTEMA LLPTécnica DirectionFinding (DF)Configuración mínima: 2 estacionesAlcance de detección por estación: 300kmInformación en tiempo real
SISTEMA LPATSTécnica del Tiempo de Arrivo (TOA)Configuracionmínima: 3 estacionesAlcance de detección por estación: 1000 kmInformación en tiempo real
IMPACT (GAI) IMPACT (GAI) -- VAISALAVAISALA
Medición directa en el mundo
Estación Experimental Ilyapa
-78.00 -76.00 -74.00 -72.00 -70.00 -68.00
LONGITUD
-4.00
-2.00
0.00
2.00
4.00
6.00
8.00
10.00
12.00
LATI
TUD
SANTAFE DE BOGOTA
CHINU
MONTERIA
CERROMATOSO
MEDELLIN SAN CARLOS
CALI
LA PALMA
BARRANQUILLA
SABANALARGA
BUCARAMANGA
0
1
2
3
4
5
6
7
Esquema de la Estación Ilyapa
CalibraciCalibracióónn de de loslos equiposequipos
Estación Experimental Ilyapa
Estación Experimental Ilyapa
Medición Satelital LIS
Tiempo de ocurrencia con Tiempo de ocurrencia con 2 ms de resoluci2 ms de resolucióón.n.Eficiencia en la detecciEficiencia en la deteccióón n ≈≈ 90%90%ÁÁrea de 580x580 rea de 580x580 kmkmArreglo de 128 x 128 Arreglo de 128 x 128 CCD (CCD (ChargeCharge CoupledCoupledDeviceDevice))16 m en 2 ms16 m en 2 msCampo de vista de 80 x Campo de vista de 80 x 8080
OTD - LIS
“Normas rayos”
Normalización
134 pa134 paííses firmantes: Cses firmantes: Cóódigo de Buena digo de Buena Conducta para elaboraciConducta para elaboracióón, adopcin, adopcióón n
y aplicaciy aplicacióón de Normas Tn de Normas Téécnicas:cnicas:
Herramienta Herramienta voluntariavoluntaria que debe que debe facilitar la comprensifacilitar la comprensióón y el n y el
intercambio tecnolintercambio tecnolóógico de las partes gico de las partes involucradasinvolucradas
PaPaííss Documento FuenteDocumento Fuente ParParáámetrometro
AustraliaAustralia AS 1768AS 1768--19911991 NCNC
Gran BretaGran Bretaññaa BS 6651BS 6651--1992 1992 –– IEC 62305IEC 62305 DDTDDT
CanadCanadáá ANSI / NFPA 780ANSI / NFPA 780--19921992 NCNC
ColombiaColombia NTCNTC--4552 4552 –– 2004 2004 –– IEC 62305IEC 62305 NC y DDTNC y DDT
FinlandiaFinlandia SFSSFS--handbookhandbook 3333 ALSALS
FranciaFrancia UTE C15UTE C15--531531-- 1986 1986 –– IEC 62305IEC 62305 NCDNCD
AlemaniaAlemania DIN 57185/VDE 0185 DIN 57185/VDE 0185 –– IEC 62305IEC 62305 NCNC
ItaliaItalia CEI 81CEI 81--1 1 –– 1990 1990 –– IEC 62305IEC 62305 DDTDDT
KenyaKenya KS 04KS 04--503; Parte 1:1990503; Parte 1:1990 NCNC
HolandaHolanda NEN 1014NEN 1014--19911991 NCNC
Nueva ZelandaNueva Zelanda NZS/AS 1768NZS/AS 1768--19911991 NCNC
PoloniaPolonia PNPN--55/E55/E--0500305003 NCNC
SingaporeSingapore CP33CP33--19851985 NCNC
Sur Sur ÁÁfricafrica SABS 03SABS 03--19851985 DDTDDT
SueciaSuecia SS487 01 10SS487 01 10 NCNC
USAUSA IEEE C62.41 IEEE C62.41 –– 2002 2002 -- ANSI / NFPA 780 ANSI / NFPA 780 ––19951995
NCNC
La NTC 4552-2004Aportes novedosos respecto a otras normas Aportes novedosos respecto a otras normas internacionales, fruto de la investigaciinternacionales, fruto de la investigacióón y la n y la
aplicaciaplicacióón a casos reales:n a casos reales:
Tratamiento estadTratamiento estadíístico de los parstico de los paráámetros del metros del rayo para latitud tropical. rayo para latitud tropical.
Planteamiento espacio Planteamiento espacio -- temporal del temporal del fenfenóómeno del rayo. meno del rayo.
AplicaciAplicacióón de desarrollos investigativos n de desarrollos investigativos colombianos (estudios, equipos, datos) a la colombianos (estudios, equipos, datos) a la promocipromocióón de la Normalizacin de la Normalizacióón Tn Téécnica en cnica en
Colombia.Colombia.
Marco Normativo RayosGUIA BP de ProtecciGUIA BP de Proteccióón contra Rayosn contra RayosNTC 4552NTC 4552--2004 2004 ““Norma TNorma Téécnica Colombiana de Proteccicnica Colombiana de Proteccióón n contra Rayoscontra Rayos””NFPA 780 NFPA 780 ““Lightning Protection SystemsLightning Protection Systems””IEEE 80 IEEE 80 ““Guide for Safety in AC substation GroundingGuide for Safety in AC substation Grounding””IEC 61024 IEC 61024 ““Protection of Structures Against LightningProtection of Structures Against Lightning””IEC 61312 IEC 61312 ““Protection Against Lightning Electromagnetic Protection Against Lightning Electromagnetic ImpulseImpulse””
IEC 61312IEC 61312--1 1 ““General PrinciplesGeneral Principles””IEC 61312IEC 61312--2 2 ““Shielding of Structures, Bonding Shielding of Structures, Bonding inside structures and Earthinginside structures and Earthing””IEC 61312IEC 61312--3 3 ““Requirements of Surge Protective Requirements of Surge Protective DevicesDevices””IEC 61312IEC 61312--4 4 ““Protection of Equipment in existing Protection of Equipment in existing StructuresStructures””
Marco Normativo RayosIEC 61643IEC 61643 ““Surge Protective Devices connected to LowSurge Protective Devices connected to Low--Voltage Power Distribution SystemsVoltage Power Distribution Systems””
IEC 61643IEC 61643--1 1 ““Performance Requirements and Testing MethodsPerformance Requirements and Testing Methods””IEC 61643IEC 61643--21 21 ““Surge Protective Devices connected to Surge Protective Devices connected to Telecommunication and Signalling Networks Telecommunication and Signalling Networks –– Performance and Performance and Testing MethodsTesting Methods””
API Recommended Practice 505. API Recommended Practice 505. ““Recommended Practice Recommended Practice for Classification of Locations for Electrical Installations at for Classification of Locations for Electrical Installations at Petroleum Facilities Classified as Class I, Zone 0, Zone 1, and Petroleum Facilities Classified as Class I, Zone 0, Zone 1, and Zone 2Zone 2””. 1997. 1997API Recommended Practice 540. API Recommended Practice 540. ““Electrical Installations in Electrical Installations in Petroleum Processing PlantsPetroleum Processing Plants““. 1999.. 1999.API Recommended Practice 2003. API Recommended Practice 2003. ““Protection Against Protection Against Ignitions Arising Out of Static, Lightning and Stray CurrentsIgnitions Arising Out of Static, Lightning and Stray Currents””. . 1998.1998.NFPA 497.NFPA 497. ““Recommended Practice for the Classification of Recommended Practice for the Classification of Flammable Liquids, Gases, or Vapors and of Hazardous Flammable Liquids, Gases, or Vapors and of Hazardous (Classified) Locations for Electrical Installations in Chemical (Classified) Locations for Electrical Installations in Chemical Process AreasProcess Areas””. . 1997.1997.
IEC 62305-1: Principios Generales
ParParáámetros del rayo (* resultados de investigacimetros del rayo (* resultados de investigacióón en n en zona tropical)zona tropical)DaDañños debido a rayosos debido a rayos (estructuras, servicios, tipos de (estructuras, servicios, tipos de ppéérdidas)rdidas)Necesidad y conveniencia econNecesidad y conveniencia econóómica de la proteccimica de la proteccióón n contra rayos.contra rayos.Medidas de protecciMedidas de proteccióón (para reducir heridas, dan (para reducir heridas, dañños os ffíísicos, fallas de sistemas elsicos, fallas de sistemas elééctricos y electrctricos y electróónicos)nicos)Criterios BCriterios Báásicos para proteccisicos para proteccióón de estructuras y n de estructuras y servicios.servicios.VariaciVariacióón temporal de los parn temporal de los paráámetros del rayo para metros del rayo para proppropóósitos de ansitos de anáálisis.lisis.SimulaciSimulacióón de la corriente de rayo para propn de la corriente de rayo para propóósitos de sitos de prueba.prueba.
IEC 62305-2: Manejo del riesgoTTéérminos (Darminos (Dañños, Fuentes, tipos de daos, Fuentes, tipos de dañños, os, tipo de ptipo de péérdidas).rdidas).Componentes del riesgo (para una estructura Componentes del riesgo (para una estructura debido a impactos cercanos a la estructura, a debido a impactos cercanos a la estructura, a un servicio conectado a la estructura, etc.)un servicio conectado a la estructura, etc.)Manejo del riesgoManejo del riesgoEvaluaciEvaluacióón de los componentes de riesgo para n de los componentes de riesgo para estructurasestructurasEvaluaciEvaluacióón del promedio anual de rayos a una n del promedio anual de rayos a una estructura (ND)estructura (ND)
IEC 62305-3: Sistema de proteccióncontra rayos
Externa (* resultados de tesis Externa (* resultados de tesis doctorales en el grupo PAASdoctorales en el grupo PAAS--UN)UN)
InternaInternaGuGuíía de proteccia de proteccióón (* aporte de la n (* aporte de la
NTC 4552)NTC 4552)Sensor (* aporte de la NTC 4552)Sensor (* aporte de la NTC 4552)Mantenimiento (* aporte de la NTC Mantenimiento (* aporte de la NTC
4552).4552).
62305-4: Sistemas Eléctricos y electrónicos dentro de las estructuras
DiseDiseñño e instalacio e instalacióón n Tierras y Tierras y equipotencializacionequipotencializacionApantallamiento Apantallamiento CoordinaciCoordinacióón de dispositivos n de dispositivos de proteccide proteccióón contra n contra sobretensiones DPSsobretensiones DPS
62305-5: Servicios
Medidas de protecciMedidas de proteccióón para ln para lííneas de neas de comunicacicomunicacióón (* Nuevo tema del comitn (* Nuevo tema del comitéé))Medidas de protecciMedidas de proteccióón de ln de lííneas de neas de transmisitransmisióón (* Nuevo tema del comitn (* Nuevo tema del comitéépero con resultados de investigacipero con resultados de investigacióón en n en Colombia que deben ser incorporados: Colombia que deben ser incorporados: ISA, EEPPM, CODENSA, PAASISA, EEPPM, CODENSA, PAAS--UN)UN)Medidas de protecciMedidas de proteccióón en ductos (* Nuevo n en ductos (* Nuevo tema del comittema del comitéé pero con resultados de pero con resultados de investigaciinvestigacióón en Colombia que deben ser n en Colombia que deben ser incorporados: ECOPETROL, BP, PAASincorporados: ECOPETROL, BP, PAAS--UN).UN).
Metodología en protección contra rayos
1.1. RevisiRevisióón y correcciones de n y correcciones de instalaciones elinstalaciones elééctricas, voz, datos e ctricas, voz, datos e imimáágenes.genes.
2.2. EvaluaciEvaluacióón de Riesgon de Riesgo3.3. SelecciSeleccióón de un SIPRA adecuadon de un SIPRA adecuado
La evaluaciLa evaluacióón del riesgo es el elemento n del riesgo es el elemento mas importante en el procedimiento mas importante en el procedimiento
para disepara diseññar un sistema de protecciar un sistema de proteccióón n contra rayos y especialmente en el contra rayos y especialmente en el
procedimiento de selecciprocedimiento de seleccióón del nivel de n del nivel de protecciproteccióón. n.
Riesgo: Metodología IEC 62305-2
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
Conceptos y DefinicionesConceptos y Definiciones
Fuente de DaFuente de DaññooS1: Rayos a la estructuraS1: Rayos a la estructuraS2: Rayos cerca a la estructuraS2: Rayos cerca a la estructuraS3: Rayos a las acometidas de serviciosS3: Rayos a las acometidas de serviciosS4: Rayos cerca a las acometidas de serviciosS4: Rayos cerca a las acometidas de servicios
Tipos de DaTipos de DaññooD1: Lesiones a seres vivosD1: Lesiones a seres vivosD2: DaD2: Dañño fo fíísico a la estructura o acometida de serviciossico a la estructura o acometida de serviciosD3: Falla de sistemas elD3: Falla de sistemas elééctricos o electrctricos o electróónicosnicos
Tipos de PTipos de PéérdidasrdidasL1: PL1: Péérdida de vidas humanasrdida de vidas humanasL2: PL2: Péérdida de servicio prdida de servicio púúblicoblicoL3: PL3: Péérdida de patrimonio culturalrdida de patrimonio culturalL4: PL4: Péérdida de valor rdida de valor econeconóómicomico
Riesgo Riesgo Evaluado para la Estructura y sus Evaluado para la Estructura y sus ComponentesComponentes
R1: Riesgo de pR1: Riesgo de péérdida de vidas humanasrdida de vidas humanasR2: R2: Riesgo de pRiesgo de péérdida de servicio prdida de servicio púúblicoblicoR3: Riesgo de pR3: Riesgo de péérdida de patrimonio culturalrdida de patrimonio culturalR4: R4: Riesgo de pRiesgo de péérdida de rdida de valor valor econeconóómicomico
Procedimiento para evaluar el Procedimiento para evaluar el riesgoriesgo
Identificar el objeto a proteger y sus caracterIdentificar el objeto a proteger y sus caracteríísticassticasIdentificar todos los tipos de pIdentificar todos los tipos de péérdidas en los objetos y rdidas en los objetos y riesgos pertinentes correspondientes R (riesgos pertinentes correspondientes R (R1 R1 aa R4)R4)Evaluar el riesgo Evaluar el riesgo R R para cada uno de los tipos de para cada uno de los tipos de ppéérdida.rdida.Evaluar la necesidad de protecciEvaluar la necesidad de proteccióón, por comparacin, por comparacióón n de riesgo de riesgo R1, R2 R1, R2 y y R3 R3 para una estructura (para una estructura (R'2 R'2 para para el servicio) con un riesgo tolerable el servicio) con un riesgo tolerable RT.RT.Evaluar la conveniencia econEvaluar la conveniencia econóómica de proteccimica de proteccióón, por n, por comparacicomparacióón de los costos de las pn de los costos de las péérdidas totales con rdidas totales con y sin medidas de protecciy sin medidas de proteccióón. En este caso, la n. En este caso, la evaluacievaluacióón de la componente de riesgo R4 para una n de la componente de riesgo R4 para una estructura (estructura (RR´44 para un servicipara un servicióó) es realizada con el ) es realizada con el fin de evaluar tales costos. fin de evaluar tales costos.
SelecciSeleccióón de Medidas de Proteccin de Medidas de Proteccióónn
Esta selecciEsta seleccióón debe ser hecha por el disen debe ser hecha por el diseññador de ador de acuerdo con el tipo de pacuerdo con el tipo de péérdida que superrdida que superóó el valor el valor de riesgo tolerable, en busca de reducir sus de riesgo tolerable, en busca de reducir sus componentes respectivas. componentes respectivas.
Para esto se deben identificar los parPara esto se deben identificar los paráámetros que metros que pueden ser modificados y que permitan la pueden ser modificados y que permitan la reduccireduccióón del riesgo teniendo en cuenta aspectos n del riesgo teniendo en cuenta aspectos ttéécnicocnico--econeconóómicosmicos
Medidas de protecciMedidas de proteccióónn
Las medidas de protecciLas medidas de proteccióón sern seráán consideradas n consideradas efectivas solamente si cumplen con los efectivas solamente si cumplen con los requerimientos de las siguientes normas: requerimientos de las siguientes normas:
NTC 4552NTC 4552--3. Para protecci3. Para proteccióón y reduccin y reduccióón de n de lesiones en seres vivos y dalesiones en seres vivos y dañños fos fíísicos en la sicos en la estructura.estructura.
IEC 62305IEC 62305--4. Para protecci4. Para proteccióón y reduccin y reduccióón de n de fallas de sistemas internosfallas de sistemas internos
IEC 62305IEC 62305--5. Para protecci5. Para proteccióón de servicios.n de servicios.
3. Selecci3. Seleccióón de un SIPRA adecuadon de un SIPRA adecuado
•No existen sistemas de protección contra rayos 100% eficaces•“Tengo sistema de protección, luego duermo feliz”•En la ciencia no hay verdades absolutas sino certezas temporales: Quedan aun por responder muchas preguntas científicas.•Los “vivos” aprovechan las lagunas del conocimiento.
ParParáámetros mmetros mááximos del rayoximos del rayo
Los efectos mecLos efectos mecáánicos del rayo se nicos del rayo se relacionan con el valor pico de la corriente relacionan con el valor pico de la corriente (I) y la energ(I) y la energíía especa especíífica (W/R). Los fica (W/R). Los efectos tefectos téérmicos se relacionan con la rmicos se relacionan con la energenergíía especa especíífica (W/R) cuando se fica (W/R) cuando se presenta acople resistivo y con la carga (Q) presenta acople resistivo y con la carga (Q) cuando se presenta arco en la instalacicuando se presenta arco en la instalacióón. n. Sobretensiones y arcos peligrosos causados Sobretensiones y arcos peligrosos causados por acoples inductivos estpor acoples inductivos estáán relacionados n relacionados con el valor medio de la pendiente de la con el valor medio de la pendiente de la corriente del rayo (di/corriente del rayo (di/dtdt).).
ProbabilidadesProbabilidades parapara loslos llíímitesmites de de loslos parparáámetrosmetros del del rayorayo
NPRNPR
Probabilidad que los Probabilidad que los parparáámetros seanmetros sean
II IIII IIIIII IVIV
Menores que el mMenores que el mááximo ximo definido en la Tabla 1definido en la Tabla 1 0,990,99 0,980,98 0,970,97 0,970,97
Mayores que el mMayores que el míínimo nimo definido en la Tabla 2definido en la Tabla 2 0,990,99 0,970,97 0,910,91 0,840,84
ParParáámetros mmetros mááximos del rayo ximos del rayo ––IEC 62305IEC 62305--33
Primera descarga cortaPrimera descarga corta NPRNPR
ParParáámetrometro SSíímbolombolo UnidadUnidad II IIII IIIIII IVIV
Corriente picoCorriente pico II KAKA 200200 150150 100100
Carga cortaCarga corta QQcortacorta CC 100100 7575 5050
EnergEnergíía especa especííficafica W/RW/R kJkJ//ΩΩ 1000010000 56255625 25002500
ParParáámetros de metros de tiempotiempo
TT11/T/T22 µµss//µµss 10/35010/350
Tabla 1
ParParáámetros mmetros míínimos del rayo nimos del rayo –– IEC IEC 6230562305--33
Criterio de interceptaciCriterio de interceptacióónn NPRNPR
SSíímbolombolo UnidadUnidad II IIII IIIIII IVIV
Corriente pico Corriente pico mmíínimanima
II kAkA 33 55 1010 1616
Radio esfera rodanteRadio esfera rodante RR mm 2020 3030 4545 6060
Tabla 2
ParParáámetros mmetros mááximos del rayoximos del rayo
Se pueden asumir los siguientes Se pueden asumir los siguientes valores con probabilidad menor del valores con probabilidad menor del 10%, as10%, asíí::
II = 200 kA= 200 kAW/RW/R = 10MJ/= 10MJ/ΩΩdidi//dtdt = 20kA/= 20kA/µµss
ParParáámetros mmetros mááximos del rayoximos del rayo
TT11 = I/(di/= I/(di/dtdt) = 10 ) = 10 µµss
TT22 = 350 = 350 µµss
22 **
7,01*
21 TIRW =
Sistema Integral de ProtecciSistema Integral de Proteccióón n contra rayos SIPRAcontra rayos SIPRA
Sistema de Protección Externa
Composición del Sistema Sistema de Captación Aérea
Bajantes
Puesta a Tierra
MMéétodo de la Esfera Rodantetodo de la Esfera Rodante
La esfera debe estar soportada por el sistema de La esfera debe estar soportada por el sistema de captacicaptacióón an aééreoreo
Nivel de Protección
Radio de la Esfera[m]
Corriente mínima de Protección [kA]
Nivel I 20 3
Nivel II 30 5
Nivel III 45 10
Nivel IV 60 16
NPRProbabilidad que los parámetros sean
I II III IV
Mayores que el mínimo definido en la Tabla 2
0,99 0,97 0,91 0,84
Puestas a TierraPuestas a Tierra
El sistema de puesta a tierra es usado para El sistema de puesta a tierra es usado para dispersar la corriente de rayo que viene por dispersar la corriente de rayo que viene por las bajantes reduciendo al mismo tiempo el las bajantes reduciendo al mismo tiempo el peligro de tener tensiones de paso y de peligro de tener tensiones de paso y de contacto peligrosas. contacto peligrosas.
Sistema Integral de ProtecciSistema Integral de Proteccióón n contra rayos SIPRAcontra rayos SIPRA
Dispositivos no convencionales Dispositivos no convencionales de proteccide proteccióón contra rayosn contra rayos
Han creado una gran controversia dentro Han creado una gran controversia dentro de la comunidad acadde la comunidad acadéémica internacional mica internacional hasta el punto que solamente han sido hasta el punto que solamente han sido
aceptados por dos normas nacionales: la aceptados por dos normas nacionales: la francesa y la espafrancesa y la españñola.ola.
Dispositivos de protecciDispositivos de proteccióón contra n contra rayosrayos
Puntas FranklinPuntas FranklinDispositivos de emisiDispositivos de emisióón temprana ESEn temprana ESEDispositivos de transferencia de carga Dispositivos de transferencia de carga
STCSTC
NormalizaciNormalizacióónnIEC 61024 (IEC62305) y NFPA780IEC 61024 (IEC62305) y NFPA780 : :
basadas en las puntas Franklin.basadas en las puntas Franklin.
NF C17NF C17--102, y UNE 21186102, y UNE 21186 : : se basan en los dispositivos de emisise basan en los dispositivos de emisióón temprana instalados n temprana instalados
en las puntas captadoras y establecen el aumento de la en las puntas captadoras y establecen el aumento de la distancia de proteccidistancia de proteccióón, respecto a un Pararrayos tipo n, respecto a un Pararrayos tipo
Franklin, en funciFranklin, en funcióón de su capacidad de producir la ionizacin de su capacidad de producir la ionizacióón n temprana o preionizacitemprana o preionizacióón del aire.n del aire.
DraftDraft IEEE P1576/2001IEEE P1576/2001 ::
Borrador de norma para sistemas de protecciBorrador de norma para sistemas de proteccióón basados en n basados en sistemas de transferencia de carga.sistemas de transferencia de carga.
PosiciPosicióón de la comunidad cientn de la comunidad cientííficafica
Los sistemas y medios de protecciLos sistemas y medios de proteccióón deben n deben proteger fproteger fíísicamente a las personas, reducir el sicamente a las personas, reducir el riesgo de fuego y evitar la degradaciriesgo de fuego y evitar la degradacióón de los n de los
equipos y las interrupciones en la producciequipos y las interrupciones en la produccióón, a n, a niveles tolerables. Para llenar estos niveles tolerables. Para llenar estos
requerimientos y evitar acciones legales, requerimientos y evitar acciones legales, incluyendo demandas por pincluyendo demandas por péérdidas econrdidas econóómicas, micas,
las normas de proteccilas normas de proteccióón contra rayos deben n contra rayos deben estar basadas en principios cientestar basadas en principios cientííficos probados ficos probados y argumentos ty argumentos téécnicos incuestionables. cnicos incuestionables. ( CIGRE ( CIGRE
WG33.01, ComitWG33.01, Comitéé ICLP)ICLP)
Sistema Integral de ProtecciSistema Integral de Proteccióón n contra rayos SIPRAcontra rayos SIPRA
Bases para la evaluaciBases para la evaluacióón del ambiente n del ambiente electromagnelectromagnéético en una ZPRtico en una ZPR
Es necesario conocer los niveles de inmunidad Es necesario conocer los niveles de inmunidad de los equipos dentro de una ZPRde los equipos dentro de una ZPREl campo magnEl campo magnéético se reduce tico se reduce úúnicamente nicamente mediante apantallamientomediante apantallamientoTensiones inducidas se reducen con Tensiones inducidas se reducen con apantallamiento y adecuado cableadoapantallamiento y adecuado cableadoMallas de apantallamiento y cableadoMallas de apantallamiento y cableadoCampos magnCampos magnééticos dentro de las ZPRticos dentro de las ZPR
Debido a impactos directosDebido a impactos directosDebido a impactos cercanosDebido a impactos cercanosIEC IEC 6230562305--4 Anexo A4 Anexo A
SIMULAR O CALCULAR
Sistema Integral de ProtecciSistema Integral de Proteccióón n contra rayos SIPRAcontra rayos SIPRA
Sensor de rayosSensor de rayos
ActivaciActivacióón Local o remota. n Local o remota. ResoluciResolucióón n OmnidireccionalOmnidireccional..Inmunidad a daInmunidad a dañños por rayos os por rayos cercanos.cercanos.ActivaciActivacióón por campo eln por campo elééctrico de ctrico de nubes de tormenta elnubes de tormenta elééctrica.ctrica.Fuente independiente (Fuente independiente (vgrvgr. Panel . Panel solar)solar)
DISPOSITIVOS DETECTORES DE TORMENTAS ELÉCTRICAS
Alarma Instalaciones BPAlarma Instalaciones BP
Molino de Campo PAASMolino de Campo PAAS--UNUN
Sensor PortSensor Portáátiltil
Sistema Integral de ProtecciSistema Integral de Proteccióón n contra rayos SIPRAcontra rayos SIPRA
Guía de seguridad personal
Respecto a los rayos hay consenso Respecto a los rayos hay consenso mundial que no existen ni medios para mundial que no existen ni medios para
evitarlos ni sistemas de proteccievitarlos ni sistemas de proteccióón n 100% eficaces.100% eficaces.
Sin embargo, existen medidas para Sin embargo, existen medidas para mitigar los riesgos a seres humanos, mitigar los riesgos a seres humanos,
cuya efectividad depende de las cuya efectividad depende de las instituciones en exigirlas y la actitud instituciones en exigirlas y la actitud
de las personas para cumplirlas.de las personas para cumplirlas.