𝐼𝑅 = 𝑄𝐶
√3 ∗ 𝑉𝐿−𝐿
[44]
• 𝑄𝐶: potencia reactiva máxima [VAR] asumiendo un factor de potencia unitario.
• 𝑉𝐿−𝐿: Tensión de línea [A].
Al reemplazar los datos con los valores registrados en el tablero general de acometidas:
𝐼𝐹𝑖𝑙𝑡𝑟𝑜 = √( 454 √ 1 (24,72100 ) 2 + 1 ) 2 + ( 64.400 √3 ∗ 208) 2 = 209,3425 [𝐴]
De acuerdo con la potencia reactiva y con la capacidad anteriormente dimensionada, del catálogo AccuSine ® (Schneider Electric de Colombia S.A., s.f., pp.10-11) [44] se selecciona un filtro de corriente nominal de 300 [A].
Puesto que la corriente rms total disminuirá drásticamente ya que se eliminan las componentes adicionales que generan los armónicos también lo harán las pérdidas por calentamiento en conductores, devanados y núcleo del transformador asociado, consiguiendo importantes ahorros de energía. Adicionalmente la potencia reactiva también disminuirá logrando aumentar el factor de potencia.
Debido a los desbalances en corriente, producto de la incorporación de nuevas cargas de forma desbalanceada al TGA, el filtro deberá ser conectado en paralelo al tablero general de acometidas (conexión serie para desbalances de tensión), sin embargo, aunque la implementación del filtro activo logra hacer un pequeño ajuste en el desbalance de corriente, para dar una solución que evidencie mejores resultados es obligatoria la reestructuración de los circuitos en las fases del TGA de tal manera que las corrientes nominales sean balaceadas.
Finalmente y como se expuso en el capítulo 3.4, es necesario la implementación de un sistema de emergencia debido a las interrupciones presentadas por el operador de red y a las catástrofes naturales así la Facultad cuente con una planta eléctrica pero que está fuera de servicio y no cuenta con un espacio para ser instalada siguiendo la normatividad vigente.
4. SISTEMA INTEGRAL DE PROTECCIÓN CONTRA RAYOS
La Facultad de Medio Ambiente y Recursos Naturales de la Universidad Distrital Francisco José de Caldas, conforme al levantamiento de las instalaciones eléctricas detalladas en el Anexo A, no cuenta con un sistema de protección externa - SPE como se muestra en la Imagen 6.
Imagen 6: Facultad sin Sistema de Protección Externa
Por lo anterior, se realizará el diseño del sistema integral de protección contra descargas - SIPRA teniendo en cuenta que la Norma Técnica Colombiana adapta los criterios, definiciones, parámetros y procedimientos establecidos por la Comisión Electrotécnica Internacional para el diseño de un sistema integral de protección contra descargas atmosféricas como se resume a continuación:
Cuadro 5: Normas utilizadas en el diseño integral SIPRA
NTC IEC Contenido
4552 - 1 62305 - 1 Principios generales. 4552 - 2 62305 - 2 Evaluación de riesgo.
4552 - 3 62305 - 3 Daño físico a estructuras y riesgo humano.
En principio, se evaluará la necesidad de la protección conforme al procedimiento descrito en la IEC 62305 - 2 y mostrado en la Imagen 7; como primer paso y para nuestro caso, la facultad de Medio Ambiente y Recursos Naturales de la Universidad Distrital, compuesta por las edificaciones detalladas en la Imagen 8, es la estructura por proteger. Es importante resaltar que los planos arquitectónicos con los cuales se realizaron los diseños fueron suministrados por la Oficina Asesora de Planeación y Control de la Universidad Distrital.
Imagen 7: Procedimiento para decidir la protección
IEC, IEC 62305 - 2: Evaluación del riesgo.
Sección 5.5: Procedimiento para evaluar la necesidad de protección. [45]
Imagen 8: Planta general de la Facultad de Medio Ambiente
En cuanto a la identificación de los tipos de pérdidas y del riesgo tolerable - RT, se
utilizará inicialmente el programa IEC Risk Assessment Calculator estableciendo los parámetros de diseño indicados en las normas y aplicados a las edificaciones. En primera instancia y como se exhibe en la Imagen 9, el programa solicita las siguientes dimensiones de la estructura:
• Longitud de la estructura.
• Ancho de la estructura.
• Altura de la estructura medida desde el suelo.
• Altura de la protuberancia más alta del techo medida desde el suelo. Imagen 9: Dimensiones de la estructura
De esta manera, el programa calcula el área equivalente de la estructura, no obstante, tendremos en cuenta lo definido por las normas para el área efectiva puesto que la Facultad no tiene una forma rectangular.
4.1. Área efectiva de la estructura
El área efectiva - Ad (o área de captación según IEC) se define por la intersección
entre la superficie del terreno y una línea con pendiente 1/3, la cual pasa por la parte superior de las partes de la estructura y rotando alrededor de esta como se muestra en las Imágenes 10 y 11. [46]
En la imagen 12 se definen las Áreas Ad, Am, Ai y Al, las cuales son detalladas en
Imagen 10: Área efectiva de la estructura - Ad
ICONTEC, NTC 4552-2: Protección contra descargas eléctricas atmosféricas. Sección 6.5.1: Evaluación del promedio anual de descargas sobre la estructura. Obtenido de http://ww.icontec.org [46]
Imagen 11: Determinación del Ad
ICONTEC, NTC 4552-2: Protección contra descargas eléctricas atmosféricas. Sección 6.5.1: Evaluación del promedio anual de descargas sobre la estructura. Obtenido de http://ww.icontec.org [46]
Cuadro 6: Definición de áreas
Área Definición
Ad Área efectiva para descargas directas en estructura aislada; definida entre la frontera de la estructura y una línea localizada a tres (3) veces la altura de la misma.
Am Área de influencia para descargas cercanas a la estructura definida entre la frontera de la estructura y una línea localizada a 250 m del perímetro de la estructura.
Al Área efectiva para descargas en la acometida de servicio. Ai Área efectiva para descargas próximas a la acometida del servicio. ICONTEC, NTC 4552-2: Protección contra descargas eléctricas atmosféricas.
Basado en lo expuesto en la Sección 6.5: Evaluación del número anual de eventos peligrosos. Obtenido de http://ww.icontec.org [46]
Imagen 12: Definiciones de áreas
ICONTEC, NTC 4552-2: Protección contra descargas eléctricas atmosféricas.
Sección 6.5.2: Evaluación del promedio anual de descargas sobre estructuras adyacentes. Obtenido de http://ww.icontec.org [46]
Con lo expuesto anteriormente, se evaluará el área efectiva en el edificio de aulas o Natura de la Facultad debido a que allí se concentran la mayoría de la Comunidad Estudiantil.
4.2. Proyección de las superficies de captación en la Facultad
Gracias a los cortes de los planos arquitectónicos suministrados, se acotaron los sectores de la estructura en los cuales había cambios de altura como se muestra en la Imagen 13, procedimiento que también fue realizado en los restantes cortes del edificio; de esta manera, la proyección del área efectiva a través de tres (3) veces la altura de la estructura es la detallada en la Imagen 14.
Imagen 14: Proyección de la superficie de captación
El área efectiva para descargas directas en estructura aislada es la mostrada a continuación:
Imagen 15: Superficie de captación para el edificio Natura
Finalmente, el área efectiva, que salvo en el laboratorio de suelos cubre todas las edificaciones y sectores de la Facultad, como el área de influencia para descargas cercanas a la estructura son las detalladas en la Imagen 16. Es importante mencionar que los planos eléctricos están disponibles en el Anexo D.
Imagen 16: Ad y Am para el edificio Natura
--: área efectiva para descargas directas en estructura aislada – Ad = 11.766 m2.
--: área de influencia para descargas cercanas a la estructura – Am = 190.496 m2.
4.3. Análisis del riesgo
Una vez se cuenta con el valor del área efectiva (11.766 m2), se procede a ingresar
en el programa IEC IEC Risk Assessment Calculator en la sección de dimensiones de la estructura (Structure’s Dimensions) números tales que, al momento del cálculo del área equivalente su valor sea aproximado al valor de la superficie de captación. Sin embargo, para el caso de la Facultad se asignó un +10% de incertidumbre (12.941 m2) respetando las distancias verdaderas de longitud y altura de la
protuberancia más alta del techo de la estructura puesto que son los valores que no varían en la forma de la estructura.
Los demás datos que deben ser ingresados en el programa IEC Risk Assessment Calculator Version 3.0.3 son mostrados y explicados a continuación:
Tabla 23: Características de la estructura
Dato solicitado Significado Valor asignado Explicación
Risk of fire or physical damage
Factor de riesgo al fuego
– Rf. Low: 0,001
Bajo uso de material combustible puesto que la planta eléctrica está fuera de servicio. Structure Screening Effectiveness Eficacia del apantallamiento según el tipo de estructura externa – Ks1.
Average: 0,2 Promedio: la estructura cuenta con columnas de concreto reforzado.
Internal wiring type
Eficacia del apantallamiento de acuerdo con el cableado interno - Ks3.
Screened: 0,1 Los cables eléctricos están aislados o van por tuberías metálicas.
Imagen 18: Características de la estructura
Tabla 24: Influencias medioambientales
Dato solicitado Significado Valor asignado Explicación
Location relative to surroundings
Factor de ubicación
circundante - Cd. Lower than: 0,25
El edificio de aulas se encuentra rodeado de estructuras más pequeñas
Location density (service line density)
Ubicación de la línea de
distribución - Ce. Urban: 0,0
La estructura está muy cercana a un nodo de distribución. Number thunderdays Densidad de descargas equivalentes anuales- Td. 4,0 flashes / km2
Valor de la densidad promedio de descargas a tierra - DDT en los cerros orientales de la ciudad de Bogotá. 4 Por la ubicación de la Facultad, no se contempla el promedio expuesto en la Tabla A.6. del Anexo 5 de la NTC 4552 -1.
Imagen 19: Influencias medioambientales
4 Calculado a partir de los niveles ceráuneos mostrados en la Imagen 3 del Capítulo 3.
Tabla 25: Líneas conductoras de servicios
Dato solicitado Significado Valor asignado Explicación
Type of service to the structure
Tipo de línea de
alimentación - PL. Overhead cable: 1,0
La red de MT ingresa a la subestación mediante cables aéreos.
Type of external cable
Tipo de cableado de alimentación externo - PLD0.
Unscreened: 1,0
Los cables de la red de media tensión son desnudos y solo una pequeña longitud ingresa por tuberías. Presence or MV / LV transformer Factor de presencia de un transformador - Ct. Transformer: 0,2 En la subestación existe un transformador de 300 [kVA]. Number of conductive services - Other overhead services Número de otros servicios eléctricos aéreos - Noh.
1 Existe telecomunicaciones. acometida de Type of external cable -
Other overhead services.
Tipo de cableado de los otros servicios eléctricos aéreas - PLD1.
Unscreened: 1,0 La acometida de telecomunicaciones es aérea y está aislada.
Number of conductive services - Other underground services Número de otros servicios eléctricos subterráneos - Nug.
0 Ningún otro servicio eléctrico ingresa a la Facultad por cables subterráneos. Type of external cable-
Other underground services
Tipo de cableado de los otros servicios subterráneos – PLD2.
Unscreened Por dar un valor de 0, no modifica los resultados
Imagen 20: Líneas conductoras de servicios
Tabla 26: Medidas de protección
Dato solicitado Significado Valor asignado Explicación
LPS type
Eficiencia del sistema de protección contra descargas atmosféricas en la estructura - E.
No protection: 0%
La Facultad no cuenta con un sistema de protección contra descargas atmosféricas.
Fire protection level
Factor de reducción del fuego en la construcción – r.
Manual systems: 0,5
La facultad no cuenta con un sistema automático de detección contra incendios, no obstante, hay extintores y señalización de emergencia. Surge protection Factor de protección contra sobretensiones - SP. No protection: 0
En los distintos tableros de la Facultad no hay instalados dispositivos de protección contra sobretensiones – DPS.
Imagen 21: Medidas de protección
Tabla 27: Categoría de pérdidas
Dato solicitado Significado Valor asignado Explicación
Special hazards to life
Factor creciente para la cantidad relativa de daños causados por peligros especiales - h1.
High panic level: 10 La Facultad cuenta con más de 1.000 personas. 5
Life loss due to fire
Pérdida de vidas humanas debido al fuego - Lf1.
Commercial, schools,
etc.: 0,05 Sector educación. Life loss due to
overvoltages Pérdida de vidas humanas debido a sobretensiones - Lo1. No safety critical systems: 0
La Facultad no cuenta con ascensores ni con equipos críticos para la vida (utilizados en hospitales). Services lost due to fire
Pérdida de servicios esenciales debido al fuego - Lf2.
No service exist: 0
La Facultad no suministra ningún servicio público como acueducto o gas.
Services lost due to overvoltages:
Pérdida de servicios esenciales debido a sobretensiones - Lo2.
No service exist: 0 La Facultad no suministra ningún servicio público.
Cultural heritage lost due to fire
Pérdida del patrimonio cultural debido al fuego - Lf3.
No heritage value: 0 No hay artículos de irremplazable valor. Special hazards to
economics:
Factor creciente para situaciones donde existe peligro ambiental - h4.
No special hazard: 0 En la Facultad no hay contaminación con el entorno.
Economic loss due to fire
Pérdidas económicas
debido al fuego - Lf4. Office, school: 0,2 Sector educación. Economic loss due to
overvoltage:
Pérdidas económicas debido a sobretensiones - Lo4,
Museum, school: 0,001 Sector educación. Step/touch potential loss
factor:
Pérdidas económicas debido a tensiones de paso y contacto - Lt4.
No shock risk: 0 La Facultad no cuenta con ganado u otra especie bovina.
Tolerable risk of economic loss
Pérdidas económicas
aceptables por año - Rt4. 1 in 1.000 yrs
No hay un valor establecido por el propietario, de no conocerse este es el valor predeterminado.
La imagen de los datos asignados en el programa IEC para la categoría de pérdidas son mostrados en la Imagen 22. Finalmente, los resultados de la evaluación del riesgo tolerable son mostrados en la Imagen 23.
5 Según el informe de avance sobre el plan indicativo de gestión realizado por la Oficina Asesora de Planeación
y Control de la Universidad Distrital, la Facultad de Medio Ambiente cuenta con 5.871 estudiantes. (Universidad Distrital, 2013, p.10) [48]
Imagen 22: Categoría de pérdidas
Imagen 23: Riesgos calculados
De la imagen anterior se observa que R1 = 3,79 ∗ 10−6y R2 = R3 =0; estos valores
deben ser comparados con los típicos de riesgo tolerable - RT indicados en la siguiente tabla:
Tabla 28: Valores típicos del riesgo tolerable
Ti-po de pérdidas RT (y-1)
Pérdida de vida humana o daños permanentes 10-5 Pérdida de servicio público 10-3 Pérdida de patrimonio cultural 10-3 IEC, IEC 62305 - 2: Evaluación del riesgo.
De acuerdo con los resultados calculados en los cuales R1,2,3 < RT y al
procedimiento descrito en la Imagen 7, se concluiría que en el edificio de aulas no sería necesaria la protección contra descargas atmosféricas; sin embargo, es necesario advertir que este programa no contempla algunas variables importantes como la longitud y la altura de la acometida que alimenta la subestación de la estructura ni tampoco indica las medidas necesarias para reducir el riesgo tolerable - RT, por lo que gracias al macro de Excel suministrado por el
Grupo de Investigación en Protecciones Eléctricas de la Universidad Distrital - GIPUD, se procederá a identificar la magnitud del riesgo tolerable en los distintos tipos de pérdida así como las medidas que permitan su mitigación.
La información necesaria es la explicada en el anterior procedimiento y expuesta a continuación:
Imagen 24: Dimensiones de la estructura
Imagen 25: Entorno de la estructura
Imagen 27: Instalación interna de la estructura
Imagen 28: Sistema de protección externo - SPE
Imagen 29: Sistema de protección interno - SPI
Los datos ingresados para las acometidas eléctrica y de telecomunicaciones son detallados en las Imágenes 30 y 31, por otra parte, no se ingresa más información pues no existen acometidas de televisión ni otras de tipo eléctrico; finalmente los resultados calculados se exponen en la Imagen 32, en la cual, se evidencia que el riesgo tolerable supera los valores expuestos para la estructura y la acometida de servicios de la Tabla 28, puesto qué:
• R1 = 1,93*10-5 > 1,00*10-5 . • R’1 = 1,15*10-5 > 1,00*10-5 .
Imagen 30: Acometida eléctrica de la estructura
Imagen 31: Acometida de telecomunicaciones de la estructura
Con el objetivo de llevar el Riesgo Tolerable - RT a la magnitud estipulada en la NTC
4552, se deben contemplar las siguientes recomendaciones: 1. Implementar un sistema de protección externo NPR IV.
2. Implementar un sistema coordenado de protección III o IV instalando DPS en las acometidas de potencia.
Imagen 32: Nuevo análisis de riesgo calculado
De esta manera, al incluir estas recomendaciones, los resultados son los siguientes: Imagen 33: Riesgo calculado con recomendaciones
4.4. Sistema de protección externo - SPE
Como se expuso anteriormente, implementando un sistema de protección externo NPR IV se disminuirá el nivel de riesgo, por lo tanto, se diseñará sobre el edificio de aulas o Natura el sistema de protección externo teniendo en cuenta lo expuesto en el Anexo E de la Norma Técnica Colombiana 4552-3: “Guía para el diseño, construcción, mantenimiento e inspección de sistemas de protección contra rayos”, y dada la complejidad de la estructura, se utilizará el método de la esfera rodante con un radio de 55 [m] de acuerdo con los valores detallados en la Tabla 29 (ICONTEC, 2008, p.7). [49]
Tabla 29: Valores máximos del radio de la esfera rodante Nivel de protección Radio de la esfera (rsc) [m]
Nivel I 35
Nivel II 40
Nivel III 50
Nivel IV 55
ICONTEC, NTC 4552 - 3: Daños físicos a estructuras y amenazas a la vida. Sección 5.2: Sistema de captación. [49]
La metodología de la esfera rodante sobre los planos arquitectónicos de la Facultad consistió en ubicar las puntas captadoras, en los sectores de mayor incidencia de rayos y sin circulación de personal, teniendo como referencia la fotografía detallada en la Imagen 34 y la proyección, de manera similar a la del área efectiva, de la cubierta con los cortes arquitectónicos. Debido a que la altura de la Universidad no supera los 55 [m] no se contemplaron puntas en los costados.
Imagen 34: Vista aérea de la Facultad
Universidad Distrital. Obtenido de https://www.udistrital.edu.co [51] (Fecha de actualización: septiembre de 2017)
En cuanto al sistema de puesta a tierra - SPT, se diseñará con la configuración tipo A como se expone a continuación: (ICONTEC, 2008, p.16): [18]
• Las bajantes serán distribuidas simétricamente alrededor del edificio Natura, ubicadas en la parte exterior y distanciadas entre sí cada 20 m. Lo anterior, por contemplar el diseñó con un nivel de protección IV.
• Los electrodos verticales instalados fuera del edificio Natura, cuya longitud es aproximadamente 2,5 [m] 6, estarán conectados a cada bajante.
6 Longitud aproximada calculada a partir de lo mostrado en la Figura 6 de la NTC 4552-3: “Longitud mínima ɭ 1
de cada electrodo de acuerdo con la clase del NPR”. (ICONTEC, 2008, p.12) [18]
De esta manera, el Sistema de Protección Externo - SPE y su respectivo sistema de puesta a tierra, será equipotencializado al SPT existente de la Facultad por medio de bajantes y puntas de captación con las siguientes características:
• Puntas captadoras de aluminio de altura de 80 [cm] interconectadas con alambrón de aluminio de ø8 mm, el cual, es soportado en aisladores sobre la cubierta y partes de la fachada del edificio de aulas de la Facultad de Medio Ambiente y Recursos Naturales. 7
• Base para puntas captadoras en aluminio aleado con tratamientos térmicos y maquinados, incluyendo mordaza para alambrón de aluminio de ø8 [mm] (ICONTEC, 2008, p.12). [50]
• Sistema de protección externo conectado al sistema de puesta a tierra existente mediante conductor 1/0 AWG Cu desnudo que hace la transición con las bajantes mediante grapa bimetálica (ICONTEC, 2008, p.12). [50] En consecuencia, en la Imagen 39, se detalla una parte del diseño de protección externa; adicionalmente y con el objetivo de corroborar que la esfera no impacte contra ninguna parte de la estructura, en las Imágenes 35, 36, 37 y 38 se muestran los cortes de las fachadas con la ubicación de las puntas captadoras. El diseño completo está disponible en el Anexo D.
Imagen 35: Fachada occidental
7 Material sugerido en la Tabla 5 de la NTC 4552-3: “Material, configuración y mínima área de la sección
transversal para cables o varillas del sistema de captación y los conductores bajantes”. (ICONTEC, 2008, p.12) [50]
Imagen 36: Corte CC’ - Fachada norte
Imagen 37: Corte BB’ - Fachada oriental
Imagen 39: Diseño del SPE en la Facultad
Finalmente, gracias a los diseños del SPE y Ad, se concluye que el edificio de aulas
o natura está protegido contra descargas directas de origen atmosférico; en cuanto al edificio administrativo y los laboratorios de suelos y biología, no es necesario medidas de protección como se expone en el Anexo E.
4.5. Apantallamiento en líneas de transmisión
El apantallamiento de las redes eléctricas consiste en la protección contra descargas atmosféricas. El cable de guarda es uno de los métodos y es utilizado en redes eléctricas de media tensión, adicionalmente, se encuentra conectado a tierra y se realiza mediante dos conductores, asimétricos o simétricos, los cuales no