Análisis del apantallamiento de descargas atmosféricas en edificios inteligentes

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(1)IEL1-II-04-01 IEL1-II-04-08. ANÁLISIS DEL APANTALLAMIENTO DE DESCARGAS ATMOSFERICAS EN EDIFICIOS INTELIGENTES. LUIS GABRIEL ARDILA CASTRO YENNY CONSTANZA PINTO BALLESTEROS. UNIVERSIDAD DE LOS ANDES Facultad de Ingeniería Departamento de Ingeniería Eléctrica y Electrónica Bogotá, D.C. Diciembre, 2004. i.

(2) IEL1-II-04-01 IEL1-II-04-08. ANÁLISIS DEL APANTALLAMIENTO DE DESCARGAS ATMOSFERICAS EN EDIFICIOS INTELIGENTES. LUIS GABRIEL ARDILA CASTRO YENNY CONSTANZA PINTO BALLESTEROS. Trabajo de Grado para optar al título de Ingeniera Electrónica. Directora: María Teresa Rueda de Torres Ph.D Engineering Management. UNIVERSIDAD DE LOS ANDES Facultad de Ingeniería Departamento de Ingeniería Eléctrica y Electrónica Bogotá, D.C. Diciembre, 2004. ii.

(3) IEL1-II-04-01 IEL1-II-04-08. A todas las personas que a través de estos años nos han brindado cariño sincero y apoyo incondicional, especialmente a nuestros padres (Luís, Otilia, José Maria, Carmen) a nuestros hermanos (Ricardo, Carlos, Gonzalo, José Maria, Alirio) y a nuestros amigos (Jennifer, Carlos A., Mónica, Jeimmy, Ivonne, Ricardo, Johan, Esperanza).. iii.

(4) IEL1-II-04-01 IEL1-II-04-08. AGRADECIEMIENTOS. Agradecemos a los profesores Maria Teresa Rueda de Torres, Álvaro Torres y Gustavo Ramos por toda su colaboración y apoyo en la realización de este trabajo. También agradecemos el apoyo de nuestros compañeros del grupo de potencia del segundo semestre de 2004, especialmente a Esperanza Torres.. iv.

(5) IEL1-II-04-01 IEL1-II-04-08. RESUMEN. En este proyecto se. desarrolló una metodología para la protección de edificios. inteligentes contra descargas atmosféricas, considerando los efectos de inducción eléctrica y magnética que generan estas sobre la estructura.. En este estudio se consideraron estructuras metálicas con pararrayos, bajantes y sistema de puesta a tierra, dedicando especial atención a las bajantes debido a que es sobre estos elementos donde se han realizado menos investigaciones y sin embargo, se ha comprobado que las bajantes contribuyen a incrementar la interferencia electromagnética.. Con el fin de observar el nivel de inducción ante diferentes tipos de bajantes, se utilizó el programa SuperNec [1] el cual permite simular diferentes condiciones tanto de estructura como de bajantes. Simultáneamente se estudiaron la norma NTC 4552 y la norma IEC 1024 con el fin de asegurar que el análisis. considerara sus. recomendaciones.. Basándose en la metodología propuesta se desarrolló una herramienta computacional que apoya el proceso de diseño de un sistema de protección contra rayos.. v.

(6) IEL1-II-04-01 IEL1-II-04-08. TABLA DE CONTENIDO Resumen………………………………………………………………..v 1. Introducción................................................................................................................12 1.1 Justificación..............................................................................................................13 1.2 Antecedentes ...........................................................................................................13 1.3 Objetivos ........................................................................................................................14 1.3.1 Objetivo General ....................................................................................................14 1.3.2 Objetivos específicos .............................................................................................14 2. Marco Teórico.............................................................................................................15 2.1. Descargas atmosféricas. ..............................................................................................15 2.1.1. Fenómeno de la descarga ........................................................................................16 2.1.1.1 Capas atmosféricas: La atmósfera es una mezcla de gases que rodea el planeta de tal manera que lo protegen de radiaciones peligrosas del sol. En la atmósfera ocurren los fenómenos relacionados con el tiempo como lo es la lluvia y las tormentas. La atmósfera esta compuesta de capas como se muestra en la figura 1. ...............................................................................................................16 2.1.2. Efectos de las descargas atmosféricas sobre los sistemas eléctricos y electrónicos. .....................................................................................................................20 2.1.2.1. Transitorio electromagnético de impulso ..................................................20 2.1.3. Tipos de protección existentes. ...........................................................................24 2.1.3.1. Protección externa: ........................................................................................24 2.1.3.1.1 Sistemas de captación: ............................................................................24 2.1.3.1.2 Bajantes: .....................................................................................................26 2.1.3.1.3 Sistema de Puesta a Tierra:.........................................................................26 2.1.3.2. Protección interna: En cuanto a las protecciones internas se plantea en la metodología estrategias para la protección de:..................................................27 2.1.4. Recomendaciones y normatividades nacionales e internacionales...............29 2.2 Edificios inteligentes ....................................................................................................30 2.2.1 Introducción ...........................................................................................................30 2.2.2 Efectos de una descarga atmosférica sobre un edificio inteligente. ...............31 2.2.3 Estrategias de protección contra descargas atmosféricas en un edificio inteligente ........................................................................................................................32 3. Desarrollo de la metodología ..................................................................................33 3.1 Introducción ..................................................................................................................33 3.2 Enfoque de la metodología .........................................................................................33 3.3 Recomendaciones para determinar la confiabilidad del sistema ..........................34 3.3.1 Recolección de parámetros meteorológicos.......................................................34. vi.

(7) IEL1-II-04-01 IEL1-II-04-08. 3.3.2 Determinación del nivel ceráunico. ...................................................................35 3.3.3 Caracterización de la estructura .........................................................................35 3.3.4 Análisis de planos..................................................................................................38 3.5 Recomendaciones para protecciones externas .........................................................38 3.5.1 Pararrayos...............................................................................................................38 3.5.2 Bajantes...................................................................................................................40 3.5.3 Sistemas de puesta a tierra ...................................................................................42 3.6 Protecciones internas....................................................................................................44 3.6.1 Protecciones primarias..........................................................................................45 3.6.2 Protecciones secundarias......................................................................................45 3.7 Protecciones inteligentes .............................................................................................46 3.8 Guía de Seguridad Personal........................................................................................47 4. Validación de la metodología. ............................................................................48 4.1 Introducción .................................................................................................................48 4.2 Aplicación de la metodología a un caso de estudio ................................................53 4.3 Aplicación de la metodología a un caso real ............................................................57 5. Herramienta computacional. ...................................................................................60 5.1. Introducción. ................................................................................................................60 5.2. Modelaje........................................................................................................................60 5.3 Diagrama de flujo del programa. ...............................................................................61 5.4 Interfase del programa.................................................................................................62 5.4. Manual del usuario. ....................................................................................................63 5.4.1. Inicio del programa: .............................................................................................63 5.4.2. Menú principal......................................................................................................63 5.4.3. Nuevo Caso: ..........................................................................................................63 5.4.4. Recomendaciones para protecciones externas: ................................................64 5.4.5. Recomendaciones para protecciones internas:.................................................65 5.4.6. Guía de seguridad de personal:..........................................................................66 6. Conclusiones y recomendaciones...........................................................................67 7. Referencias..................................................................................................................69 Anexo…………………………………………………………………………………….71. vii.

(8) IEL1-II-04-01 IEL1-II-04-08. LISTA DE FIGURAS Figura 1 Distribución de capas atmosféricas según el nivel del mar………………….16 Figura 2 Distribución de la carga en las nubes. La figura muestra la distribución de carga eléctrica típica para una nube.............................................................................18 Figura 3. Comportamiento de la corriente en un rayo [6]. .......................................................21 Figura 4. Mapa de niveles ceráunicos de Colombia [15]. ........................................................36 Figura 5. Simulación planteada en el trabajo de la referencia [18]. .........................................49 Figura 6. Comportamiento de la corriente en el tiempo. En el eje horizontal se tiene el tiempo en microsegundos y en el eje vertical se tiene la corriente en Amperios..49 Figura 7. Sistema 1 simulado en SuperNec, en la gráfica se observa la fuente, la carga y la estructura cuyas dimensiones son 10mx10mx20m. La fuente se encuentra a 50m de la estructura. ......................................................................................................50 Figura 8. Resultados de las simulaciones. En la Figura 8a (izquierda) se muestran los resultados de la simulación en NEC 2 obtenida en el trabajo de la referencia [18] y la figura 8b (derecha) se muestran los resultados obtenidos en la simulación en SuperNec..........................................................................................................................50 Figura 9. Segunda estructura de simulación dada en la referencia [18], En la figura de la izquierda se muestra una vista superior de la estructura y la figura de la derecha muestra la vista ................................................................................................51 Figura 10. Sistema 2 simulado en SuperNec, en la gráfica se observa la fuente (rojo), la carga (estructura café) y la estructura metálica cuyas dimensiones son 20mx10mx20m. La fuente se encuentra a 50m de la estructura. El punto A indicado en a gráfica, es el punto de ubicación de la carga a observar. .................52 Figura 11 Comportamiento de la corriente con el tiempo, la gráfica muestra el comportamiento que presenta la corriente en el punto A mostrado en la figura 10. ......................................................................................................................................52 Figura 12 Estructura correspondiente al caso piloto. .......................................................53 Figura 13. Resultados de las simulaciones para el caso piloto. Las gráficas muestran el comportamiento de la corriente en el tiempo en una carga ubicada en el centro del edificio. La Figura 13a da el resultado correspondiente al caso 1 y la Figura 13b corresponde al caso 5. .............................................................................................54 Figura 14. Estructura con malla de alta frecuencia (en rojo). ..........................................55 Figura 15. Resultado de la simulación para el caso piloto con malla. La gráfica muestra el resultado de la comportamiento de la corriente en el tiempo para una carga ubicada en el centro del edificio y como se plantea en el caso 3 de la tabla 9. ...........................................................................................................................................56. viii.

(9) IEL1-II-04-01 IEL1-II-04-08. Figura 16. Estructura del edificio DTI sin sistema de protección contra descargas atmosféricas. En la gráfica se muestra la estructura del DTI sin sistema de protecciones, simulada en SuperNec. Se observa la fuente de corriente o fuente de caída del rayo (rojo) y la carga (café)......................................................................57 Figura 17 Resultado de la simulación de la estructura DTI sin sistema de protección. Se muestra el voltaje inducido con relación al tiempo en una carga ubicada en la mitad del edificio. ...........................................................................................................58 Figura 18. Estructura del edificio DTI con puntas de captación y sistema de bajantes. En la gráfica se muestra la estructura del DTI con sistema de protecciones externas sin el sistema de puesta a tierra, simulada en SuperNec. Se observa la fuente de corriente o fuente de caída del rayo (rosado), la carga (café claro), las puntas de captación (rojo), sistema de bajantes (verde) y la conexión (café oscuro) de la bajantes en la parte superior..................................................................58 Figura 19 Resultado de la simulación de la estructura DTI con sistema de protección. Se muestra el voltaje inducido con relación al tiempo en una carga ubicada en la mitad del edificio. ...........................................................................................................59 Figura 20 Diagrama de caja negra del programa desarrollado. .....................................61 Figura 21 Diagrama de flujo del programa........................................................................62 Figura 22 Menú principal del programa. ...........................................................................63 Figura 23 Ventana de nuevo caso........................................................................................64 Figura 24 Ventana de protecciones externas. ...........................................................................65 Figura 25 Ventana de protecciones internas......................................................................66 Figura 26 Guia de Seguridad Personal ................................................................................66. ix.

(10) IEL1-II-04-01 IEL1-II-04-08. LISTA DE TABLAS TABLA I. CLASIFICACIÓN DE TIPOS DE RAYOS ENTRE LAS NUBES Y LA TIERRA [5]. .....................................................................................................................................19 TABLA II. CLASIFICACION DE DESCARGAS ATMOSFERICAS TIPO NUBE-TIERRA [5]. .....................................................................................................................................23 TABLA III. VALORES DEL INDICE RELACIONADO CON EL USO DE LA ESTRUCTURA [8] ...........................................................................................................37 TABLA IV. VALORES DEL INDICE RELACIONADO .......................................................37 TABLA V VALORES DEL INDICE RELACIONADO .........................................................37 TABLA VI NÚMERO DE BAJANTES DE ACUERDO A LA ALTURA DE LA ESTRUCTURA [8]. ..........................................................................................................40 TABLA VII SEPARACION MEDIA DE LAS ........................................................................41 TABLA VIII. CASOS CON DIFERENTE UBICACIÓN DE BAJANTES ......................55 TABLA IX Casos de malla de alta frecuencia ..........................................................................56. x.

(11) IEL1-II-04-01 IEL1-II-04-08. LISTA DE ECUACIONES Ecuación 1. Caracterización de la corriente para una fuente de rayo [18]. ...............................49. xi.

(12) IEL1-II-04-01 IEL1-II-04-08. 1. Introducción. Desde inicios de siglo XX la protección de edificaciones contra descargas atmosféricas ha demandado el desarrollo de nuevas metodologías y estrategias para proteger las vidas humanas y los equipos que se encuentran dentro de estas. Se han desarrollado metodologías de protección para edificios inteligentes pero estas no contemplan un análisis que incluya estudios de compatibilidad electromagnética. Es por esto que se pretendió plantear una metodología que incluya este tipo de estudios ya que estos son fundamentales para garantizar el buen desarrollo de un sistema integral de protección contra descargas atmosféricas. Para el desarrollo de la metodología en primera instancia, se revisaron los conceptos más importantes sobre sistemas de protección contra descargas atmosféricas y se establecieron las recomendaciones generales que todo sistema de protección debe cumplir. Se utilizó el software SuperNec [1] para las simulaciones electromagnéticas que permitiera validar las recomendaciones dadas en las normas y en la literatura. Con el fin de asegurar que esta metodología y el software funcionarán se tomo como caso piloto el sistema de una estructura metálica cúbica del artículo de la IEEE [8]. Se obtuvieron resultados muy similares a los del artículo. Se desarrolló una herramienta computacional, para el entorno PC/Windows dado que uno de los objetivos de esta investigación es dotar al Departamento de Ingeniería Eléctrica y Electrónica de una herramienta que complementa el análisis del efecto de la inducción eléctrica y electromagnética para diferentes edificios. Este programa genera recomendaciones para el diseño del sistema de protección contra rayos a partir. de parámetros meteorológicos, parámetros del rayo y parámetros de la. estructura.. 12.

(13) IEL1-II-04-01 IEL1-II-04-08. 1.1 Justificación El uso de protecciones para edificios contra descargas atmosféricas ha sido una práctica reconocida desde comienzos del siglo XIX, ya que se ha comprobado su efectividad ante el carácter destructivo de una descarga atmosférica. Teniendo en cuenta el incremento en la construcción de edificios de tipo inteligente, es de vital importancia determinar metodologías que permitan evaluar el comportamiento de equipos sensibles ante el impacto de una descarga atmosférica en el edificio, además es importante determinar la eficacia de las protecciones adicionales y del apantallamiento tradicional.. 1.2 Antecedentes En la actualidad no existen metodologías concretas para el análisis de los efectos y las consecuencias de una descarga atmosférica sobre un edificio inteligente. El desarrollo vertiginoso de la tecnología de edificios inteligentes, exige nuevos estudios y nuevas herramientas para garantizar la correcta protección de un edificio de estas características.. Los métodos actuales para realizar estos análisis presentan un planteamiento general no acorde con los requerimientos necesarios para hacer estudio adecuado en este tipo de edificaciones. Por ejemplo, metodologías como el modelo electrogeométrico y el método de los dos puntos han sido ampliamente utilizados en modelos de líneas de alta y media tensión, pero muy pocas veces en el caso de edificios inteligentes. Es por esto que requiere desarrollar un método de análisis e implementar una herramienta que permita realizar estos estudios.. 13.

(14) IEL1-II-04-01 IEL1-II-04-08. 1.3 Objetivos 1.3.1 Objetivo General Definir una metodología para el análisis y diseño de un sistema de protección de edificios inteligentes contra descargas atmosféricas, el cual tenga en cuenta el desempeño de los equipos electrónicos.. 1.3.2 Objetivos específicos Revisión bibliográfica sobre el tema de protección de edificaciones contra descargas atmosféricas. Se deben revisar Normas relacionadas con el tema y artículos IEEE, CIGRÉ entre otros.. Estudiar las metodologías más importantes tanto tradicionales como actuales con el fin de plantear la más adecuada para el caso de edificaciones comerciales que contengan. equipos. electrónicos. sensibles.. Zona. de. protección,. Modelo. Electrogeométrico, conducción de la descarga y Mecanismo de inyección a la tierra.. Determinar un modelo en computador que permita evaluar el comportamiento de la descarga atmosférica cuando impacta una edificación y el efecto de sobretensiones en dispositivos dentro del mismo edificio el cual sea comparable con los modelos propuestos en la literatura sobre el tema.. Desarrollar una herramienta que sistematice el desarrollo de la metodología propuesta.. 14.

(15) IEL1-II-04-01 IEL1-II-04-08. 2. Marco Teórico. En está sección se describirán los conceptos más relevantes que se ven involucrados al desarrollar una metodología de protección contra rayos para edificios inteligentes. Como primera medida se trataran los temas referentes a las descargas atmosféricas y sus efectos en edificaciones. Luego se abordará el tema de edificios inteligentes: definición, tipos y fenómenos que puedan afectar a este tipo de edificaciones.. 2.1. Descargas atmosféricas. Los sistemas eléctricos y electrónicos son muy sensibles a los fenómenos asociados a una descarga atmosférica, ya que este tipo de fenómenos comúnmente afectan el estado de operación normal de un sistema específico. Una descarga atmosférica sobre una edificación puede producir perturbaciones eléctricas y también puede producir perturbaciones electromagnéticas. A continuación describirán los efectos y las perturbaciones que se pueden presentar en una construcción y además se describirá que tipos protecciones son utilizadas para reducir o eliminar los daños producidos por una descarga, normatividades y recomendaciones a nivel nacional e internacional.. 15.

(16) IEL1-II-04-01 IEL1-II-04-08. 2.1.1. Fenómeno de la descarga. Figura 1 Distribución de capas atmosféricas según el nivel del mar.. 2.1.1.1 Capas atmosféricas: La atmósfera es una mezcla de gases que rodea el planeta. de tal manera que lo protegen de radiaciones peligrosas del sol. En la atmósfera ocurren los fenómenos relacionados con el tiempo como lo es la lluvia y las tormentas. La atmósfera esta compuesta de capas como se muestra en la figura 1. •. Exosfera: Es la capa más externa capa, a partir de 1000km de altura2. Es la zona de tránsito entre la atmósfera terrestre y el espacio interplanetario.. •. Mesosfera: Alcanza hasta los 1000km, se caracteriza porque en esta la temperatura disminuye con la altura.. •. Inosfera: Alcanza los 400km2, esta formada por iones, es decir átomos eléctricamente cargados, esta capa tiene una gran utilidad ya que se utiliza para las radio comunicaciones.. 16.

(17) IEL1-II-04-01 IEL1-II-04-08. •. Quiminosfera: Alcanza los 80km de altura2, en esta se encuentra el ozono, filtro natural contra radiaciones ultravioletas.. •. Estratosfera: Alcanza los 25km de altura2.. •. Troposfera: Capa de aire en contacto con la superficie terrestre, que alcanza los 10km de altura2, en el Ecuador la altura característica es 19km y 9km en los polos3, en esta capa se producen las nubes, las lluvias las tormentas y los vientos.. 2.1.1.2 Nubes: En la atmósfera, específicamente el la troposfera se encuentran las. nubes, las cuales son estructuras visibles formadas por pequeñas gotas de vapor de agua. La formación de las nubes ocurre con la ayuda de movimientos ascendentes de las corrientes del aire, por alguna de las siguientes razones:. •. Choque de una corriente de aire con una montaña.. •. Choque entre distintas turbulencias de aire.. Las nubes se clasifican en 3 tipos: Cirriformes, estratiformes y cumilformes.. •. Curriformes (curris): son nubes formadas por cristales de vapor de agua. Son de poco espesor. Se forman en las capas más altas de la troposfera, entre los 7 y 10 Km sobre el nivel del mar.. •. Estratiformes (stratus): nubes planas, que se forman en las capas bajas de la troposfera, rara vez se eleva más de 1.5 Km. sobre la superficie de la tierra. Puede originar neblina si llega a tocar la tierra, en estas se producen lloviznas y nieve.. 17.

(18) IEL1-II-04-01 IEL1-II-04-08. •. Cumuliformes (cumulus): son planas en su parte inferior y presentan cúpulas en la superior. Se forman en la zona intermedia de la troposfera, a unos 1000m sobre el suelo. Un tipo de estas nubes son las cumulonimbes, en las cuales se producen las precipitaciones fuertes, las tormentas, granizo y descargas eléctricas.. Las nubes de tormenta se encuentran eléctricamente cargadas, se han realizado diferentes investigaciones para establecer la carga eléctrica de las nubes sin embargo no se ha obtenido una solución única, la mayoría de investigadores concluyen que la carga de las nubes debe se positiva la parte superior y negativa en la parte inferior.. Figura 1 Distribución de la carga en las nubes. La figura muestra la distribución de carga eléctrica típica para una nube.. En este tipo de nubes se presentan descargas eléctricas debido a el fenómeno de ionización en las nubes que se da debido al movimiento vertical del aire, el cual hace que las gotas de vapor contenidas en la nube se carguen positivamente mientras el aire alrededor de esta se carga negativamente.. 2.1.1.5 Descarga atmosférica: El rayo, descarga eléctrica que se produce entre nubes o. entre una nube y la tierra. Esta descarga es visible y se conoce como relámpago, en ocasiones produce una onda sonora que se denomina trueno. Los rayos se producen cuando el potencial eléctrico entre dos nubes o entre una nube y la tierra alcanza una magnitud de alrededor de 10.000V/cm, ya que con este potencial el aire se ioniza lo cual provoca el relámpago4. La corriente de un rayo es aproximadamente 20kA. Los rayos son señales eléctricas de alta frecuencia que presentan alto voltaje y alta corriente. Hay diferentes tipos de rayos, los cuales se encuentran clasificados en:. 18.

(19) IEL1-II-04-01 IEL1-II-04-08. •. Intranube: Es el rayo que se produce por el choque de cargas dentro de una nube. Este es el tipo de rayo más común que se presenta, aparecen como relámpagos y presentan truenos.. •. Nube –nube: ocurren entre centros de carga de dos diferentes nubes, la descarga recorre el espacio de aire que hay entre estas. Se presenta con truenos.. •. Nube-aire: son descargas hacia la atmósfera.. •. Nube-tierra: son los tipos de rayos más peligrosos, afortunadamente no son los más comunes, estos se pueden ocasionar desde la nube a la tierra o desde la tierra a la nube. Se clasifican dentro de 8 categorías encontradas en la referencia5. En la Tabla I y II se observa la clasificación de estos tipos de rayos. TABLA I. CLASIFICACIÓN DE TIPOS DE RAYOS ENTRE LAS NUBES Y LA TIERRA [5].. Categoría. Lugar. de Carga líder. origen. 1. Nube. Negativa. 2. Tierra. Positiva. 3. Nube. Positiva. 4. Tierra. Negativa. La tabla I dada en [5] da 4 categorías, clasificadas dependiendo el lugar donde se origina y la carga líder. El 90% de los rayos nube-tierra que corresponde al 45 de todos los rayos son los que se originan en las nubes con carga negativa es decir los de categoría 1. La categoría 3 constituye el 5% de los rayos que se originan es decir el 10% de los rayos nube-tierra, esta se da cuando la descarga se origina en la parte superior de la nube con carga positiva. Las categorías 2 y 4 raramente ocurren, estas ocurren desde los topes de las montañas y las construcciones más altas5.. 19.

(20) IEL1-II-04-01 IEL1-II-04-08. Además del mencionado anteriormente, se da otro tipo de clasificación donde además del lugar de origen y la carga se tienen en cuenta el retorno del rayo, en la Tabla II se da la respectiva clasificación.. 2.1.2. Efectos de las descargas atmosféricas sobre los sistemas eléctricos y electrónicos. Las descargas atmosféricas eléctricas, son señales de alta frecuencia con alto voltaje y alta corriente por tanto conllevan una serie de efectos secundarios que afectan el buen desempeño de los equipos que se encuentran cercanos al punto de caída de una descarga eléctrica. A continuación se enuncian tales efectos.. 2.1.2.1. Transitorio electromagnético de impulso: Cambio súbito a una frecuencia. distinta a la del suministro, en condición de estado estable de la tensión, corriente, o ambos, que es unidireccional en polaridad (positiva o negativa). Estos transitorios se caracterizan, normalmente, por su tiempo de aumento y caída. Este fenómeno puede ser descrito por su contenido espectral. Por ejemplo, un transitorio electromagnético de impulso 1,2/50 µs de 2000V aumenta su valor pico de 2000V en 1,2 µs, luego decae a la mitad de su valor pico en 50 µs. La causa más común para que se produzcan transitorios de impulso son las descargas atmosféricas. La. figura 3 ilustra un. transitorio de impulso de corriente causado por un rayo.6. 20.

(21) IEL1-II-04-01 IEL1-II-04-08. Figura 2. Comportamiento de la corriente en un rayo [6].. 2.1.2.2. Efectos primarios de un rayo: Los efectos directos de un rayo son la. destrucción física causada por el impacto de los que pueden resultar incendios. Cuando un impacto directo golpea una instalación donde hay materiales combustibles, pueden estar expuestos al rayo, al canal del rayo o al efecto de calentamiento del rayo, produciéndose importantes incendios. Cuando cae un rayo en una instalación siempre buscará el camino a tierra de más baja impedancia y por él circulará hasta tierra. Si el conductor tiene algún equipo eléctrico conectado a un equipo y es atravesado por esa corriente, muy probablemente será destruido. Si bien la caída directa del rayo es la más devastadora, también es la más improbable.7. 2.1.2.3. Efectos secundarios de la caída de un rayo: Los siguientes son los efectos más. comunes de un rayo directo o cercano a la caída de un rayo:. •. Carga electroestática: Ya que región ionizada de la nube induce en cualquier estructura propia o adyacente de la edificación, se pueden producir arcos de corriente entre estas estructuras.. 21.

(22) IEL1-II-04-01 IEL1-II-04-08. •. Pulsos electromagnéticos: Son campos electromagnéticos de gran intensidad que son el resultado del flujo de corriente a través de las bajantes. Ya que la magnitud de estas corrientes es elevada, los pulsos magnéticos que se crean pueden ser muy significativos.. •. Pulsos electroestáticos: Cualquier conductor sobre la superficie de la tierra está sometido a un campo eléctrico formado por la tormenta eléctrica.. •. Corrientes de tierra: Estas corrientes son parte del proceso de neutralización del rayo. Cualquier conductor cercano a los cables y mallas de puesta a tierra, se convierte en un camino para estas corrientes. Las tuberías y alambres son un ejemplo de estos caminos. Aunque estas corrientes son en general de corta duración, los voltajes inducidos pueden llegar a ser altos.. •. Sobrevoltaje transitorio: En el tiempo en el que el fenómeno de la descarga se produce se pueden generar arcos entre estructuras y conductores secundarios, que pueden llegar a afectar conductores del sistema eléctrico de la estructura.. 22.

(23) IEL1-II-04-01 IEL1-II-04-08 TABLA II. CLASIFICACION DE DESCARGAS ATMOSFERICAS TIPO NUBE-TIERRA [5]. Tipo. Lugar de origen. Carga líder. Retorno del Rayo. 1a. Nube. Negativo. No se presenta, campo abierto, no construcciones.. 1b. Nube. Negativo. Presencia de retorno del rayo, desde la tierra.. 2a. Tierra. Positiva. Flujo de carga a la tierra.. 2b. Tierra. Positiva. Múltiples relampagueos.. 3a. Nube. Positiva. Desplazamiento de corrientes intra-nubes.. 3b. Nube. Positiva. Algunas veces se presenta retorno del rayo.. 4a. Tierra. Negativa. 4b. Tierra. Negativa. Se presenta como cátodos delgados con corrientes positivas en las nubes, se presenta pocas veces.. Inicialmente es como en 4a, después de 4,25ms se presenta una descarga positiva a la tierra, especialmente montañas.. 23.

(24) IEL1-II-04-01 IEL1-II-04-08. 2.1.3. Tipos de protección existentes. Basados en la norma de protección contra descargas colombiana8, se enumeran los elementos de un sistema integral de protección contra rayos: •. Protección externa: Tiene la función de interceptar o evitar los rayos que puedan impactar en cercanías o directamente sobre la instalación a proteger.. •. Protección interna: Aunque las corrientes del rayo logran canalizarse o evitarse casi en su totalidad, estas pueden llegar a causar sobretensiones peligrosas a las estructuras o los equipos instalados en su interior. Por esto es necesario instalar dispositivos que permitan controlar este tipo de sobretensiones.. •. Seguridad personal: Son evidentes los peligros que a los se expone el personal que se encuentre en una edificación en el transcurso de una tormenta.. •. Sistema de alarma: El sistema de alarma permite prevenir y dar aviso al personal sobre la probabilidad de una descarga atmosférica con el fin de tomar las medidas de seguridad necesarias.. 2.1.3.1. Protección externa: En cuanto a la parte externa se refiere el sistema de. protección esta compuesto de:. •. Sistema de captación.. •. Bajantes.. •. Sistema de Puesta a Tierra.. 2.1.3.1.1 Sistemas de captación: Los sistemas de protección contra descargas son clasificados de la siguiente manera5:. 24.

(25) IEL1-II-04-01 IEL1-II-04-08. •. Sistemas colectores de descargas: Están diseñados para atraer el punto final de una descarga en las proximidades. Entre estos métodos están el pararrayos y el ESE (Early Streamer Emission).. •. Sistemas de prevención de descargas: Este tipo de sistemas está enfocado a evitar la formación del líder terminal, creando una ionización en el aire de cargas contrarias. Un ejemplo de este tipo de sistemas es el CTS (Charge transfer System).. Para el diseño de instalaciones que permitan la interceptación del rayo es recomendado utilizar los principios de la teoría electro geométrica. La teoría electro geométrica es un sistema analítico desarrollado por GIlman y Whitehead que se refiere a un modelo para determinar la efectividad de los apantallamientos. En él, se pretende que los objetos por ser protegidos sean menos atractivos a los rayos que los elementos apantalladotes tipo punta; esto se logra determinando el “radio de atracción” del rayo a un objeto, cuyo significado, es “la longitud del último paso de la guía del rayo, bajo la influencia de un terminal que lo atrae, o de la tierra”.. La distancia de la descarga determina la posición de la estructura apantalladora con respecto al objeto que se quiere proteger, tomando en cuenta la altura de cada uno con respecto a tierra. Dicha distancia está relacionada con la carga del canal de la guía del rayo y por lo tanto es una función de la corriente de retorno del mismo.. Este método se fundamenta en el concepto de distancia de atracción de la descarga por una estructura (rs) según la cual el rayo saltará al primer conductor sobre una distancia rs o a tierra si está dentro de β*rs, donde β es un factor que representa los efectos. Este tipo de sistemas esta enfocado principalmente a las precauciones de protección que se deben tener para reducir los efectos secundarios de una descarga atmosférica.. 25.

(26) IEL1-II-04-01 IEL1-II-04-08. 2.1.3.1.2 Bajantes: Las bajantes son trayectorias entre el sistema de captación y tierra, cuya finalidad es conducir la corriente a tierra.. Las bajantes son. generalmente varillas conductoras metálicas. Existen diferentes recomendaciones para definir la ubicación, y las características inherentes de las bajantes.. Algunas recomendaciones que se encuentran en la literatura son las siguientes9:. •. Si el sistema de captación es de conductores horizontales es necesaria al menos una bajada en cada extremo, si es una red de mallas, al menos una bajada por cada estructura de apoyo.. •. Las bajadas se deben repartir a lo largo del perímetro de manera de tener una separación media (10 a 25 metros, según el nivel de protección mayor - menor), y al menos dos bajadas en los ángulos de la estructura.. •. Las bajadas se deben interconectar horizontalmente cerca del suelo, y en edificios altos cada 20 metros de altura.. •. Si la pared es de material no combustible se pueden fijar a ella, o empotrar, si el material es inflamable y el calentamiento de la bajada puede acarrear peligro se considera que 0.1 m de separación es suficiente para brindar seguridad.. •. Las bajadas deben estar alejadas de puertas y ventanas, su trayecto debe ser el más corto posible a tierra y se debe evitar la formación de bucles.. 2.1.3.1.3 Sistema de Puesta a Tierra: Un sistema de puesta a tierra bien implementado conlleva protecciones contra los daños que se causan por fallas de corriente, diferencias de potencial, interferencias de altas frecuencias, inducción electromagnética, pulsos electromagnéticos y rayos. Es importante mantener la equipotencialidad en un sistema de puesta a tierra. También pueden existir problemas de compatibilidad electromagnética siendo la malla de puesta a tierra una. 26.

(27) IEL1-II-04-01 IEL1-II-04-08. posible fuente de interferencia electromagnética. Existen diferentes prácticas para las puestas a tierra, sin embargo actualmente se recomienda que para mantener la equipotencialidad no utilizar tierras aisladas.. 2.1.3.2. Protección interna: En cuanto a las protecciones internas se plantea en la. metodología estrategias para la protección de: •. Protección contra sobretensiones.. •. Protecciones contra transitorios de corriente.. •. Compatibilidad electromagnética.. La compatibilidad electromagnética es la capacidad que tienen los dispositivos o equipos eléctricos y electrónicos para funcionar correctamente sin causar interferencias en determinado entorno electromagnético donde se encuentran otros dispositivos10. Cuando se realizan estudios de compatibilidad electromagnética es fundamental tener en cuenta la presencia de tres elementos sin los cuales no se podría hablar de compatibilidad electromagnética los cuáles son: la fuente de interferencia, el acoplamiento o canal de interferencia y la víctima o receptor de la interferencia.. Las fuentes de interferencia electromagnética pueden ser externas o internas al sistema, algunas fuentes externas son: Pulso electromagnético debido a una rayo (LEMP), Pulso electromagnético nuclear (NEMP), Microondas de alta potencia (HPM).. El rayo es una fuente de interferencia electromagnética ya que se puede determinar como una onda de alta frecuencia a alto voltaje.. 27.

(28) IEL1-II-04-01 IEL1-II-04-08. El control de la interferencia se puede realizar aplicando alguno de los siguientes métodos:. •. Eliminar la fuente de interferencia.. •. Incrementar el nivel de inmunidad de la víctima.. •. Impidiendo la iteración entre la fuente y la víctima por medio de la intervención del medio.. Es importante tener presente que cuando las fuentes no son controlables como lo es el caso de LEMP, NEMP y HPM no es posible eliminarlas, y que en ocasiones fortalecer la víctima implica cambiar características inherentes a está lo cual ocasionaría cambiar el comportamiento de dicho sistema como la potencia de operación y la densidad el circuito, entonces en estos casos la mejor opción de protección es proceder a intervenir el medio para proteger el sistema11.. Para realizar la protección interviniendo en el medio de interferencia se implementan las siguientes estrategias:. •. Ampliar la distancia fuente-víctima.. •. Establecer una barrera fuente víctima.. El método de protección de mayor uso es establecer una barrera entre la fuente y la víctima es decir interferir en el canal entre estas. Generalmente se implementa un blindaje, es decir una barrera metálica entre la fuente y la víctima; por lo que tener un edificio con un recubrimiento metálico o jaula de faraday seria ideal para protecciones contra descargas atmosféricas eléctricas. Cuando se coloca una barrera metálica se logra disminuir en gran parte la incidencia del campo eléctrico, y el acople. 28.

(29) IEL1-II-04-01 IEL1-II-04-08. capacitivo. Las estrategias que se deben poder lograr para este tipo de protección es la definición de áreas que deben tener el respectivo recubrimiento. Como la jaula de Faraday es de difícil implementación entonces una estrategia de protección es aumentar el número de bajantes, con esta estrategia se logra disminuir el acople inductivo.. 2.1.4. Recomendaciones y normatividades nacionales e internacionales.. Para la protección contra descargas atmosféricas existen normas de tipo nacional e internacional. A nivel nacional se cuenta con la norma técnica colombiana NTC 4552, esta tiene por objeto establecer las medidas que se deben adoptar para lograr la protección contra los riesgos asociados a la exposición directa o indirecta de las descargas atmosféricas de personas, animales, equipos y el entorno8. La norma cubre los requisitos para estructuras de uso común y estructuras de utilizadas para la prestación de servicios públicos de comunicaciones y acueducto. La norma consta de ocho secciones, las dos primeras se refieren al objeto y al alcance, en la tercera. y cuarta se dan las. definiciones, abreviaturas y símbolos referentes con el tema, los parámetros del rayo son dados en la quinta sección, en la sección seis se encuentra el planteamiento de un sistema integral de protección contra descargas atmosféricas y la metodología para implementar tal sistema integral de protección contra descargas atmosféricas es dado en el sección 7. Finalmente en la sección ocho se da una lista de normas adicionales que contribuyen a las recomendaciones del sistema de protección. Es importante resaltar que el sistema integral de protección contra descargas atmosféricas contiene recomendaciones de tipo externo e interno, una guía de seguridad personal y un sistema de alarma. Respecto a las recomendaciones de protección externa se dan las indicaciones referentes a la interceptación, bajantes y sistema de puesta a tierra.. 29.

(30) IEL1-II-04-01 IEL1-II-04-08. A nivel internacional se tiene la norma IEC 61024-1 (Internacional Standard, protection of structures against lightning). Como primera medida la norma plantea las generalidades o campo de aplicación, las definiciones y términos, una vez definidas estas generalidades se plantea un sistema de protección externo contra el rayo, después sigue el planteamiento del sistema de protección interno y finalmente se da una guía de diseño y mantenimiento de los sistemas de protección contra descargas atmosféricas. Otra norma a nivel internacional es la norma IEC 6 1312 (Protection aganinst the effects of LEMP).. 2.2 Edificios inteligentes Las estructuras civiles y militares han evolucionado para cumplir los nuevos requerimientos acorde al desarrollo que la industria ha exigido. Bajo este marco ha nacido un nuevo concepto llamado estructuras o edificios inteligentes. Como primera instancia se hará una breve introducción al tema para luego revisar los efectos de una descarga atmosférica sobre este tipo de estructuras. Por último se mencionaran algunos aspectos sobre las medidas de protección contra este tipo de fenómenos y se tratarán sus consecuencias resultantes a nivel de compatibilidad electromagnética.. 2.2.1 Introducción No se puede definir de manera conjunta lo que es un edificio inteligente, ya que los expertos en la materia aún tienen diferencias y no se ha logrado un acuerdo para esta definición. Sin embargo se encuentran planteamientos como el dado en el Simposio internacional sobre edificios inteligentes en Mayo 28 de 1985 en Toronto Canadá: Un edificio inteligente combina innovaciones tecnológicas o no, con manejo de habilidades para maximizar su utilidad12. Otra definición propuesta por el Instituto de Edificios Inteligentes dice: Un edificio inteligente es uno que provee una productividad costo _ efectiva del entorno a través de la optimización y la iteración. 30.

(31) IEL1-II-04-01 IEL1-II-04-08. de cuatro factores – estructura, sistemas, servicios y gerencia-. Las actividades que realizan los habitantes de un edificio inteligente son facilitadas gracias a las ventajas que este ofrece, como lo son comodidad,. convivencia, seguridad personal,. flexibilidad y comerciabilidad a largo plazo12. Las principales componentes que una edificación requiere para ser catalogada como un edificio inteligente son: •. Sistemas de telecomunicaciones: Se debe implementar un sofisticado sistema de telecomunicaciones, algunos de estos son sistema de teléfonos PBX, cablevisión, Videotexto, interconexión en red inalámbrica y cableado estructurado13.. •. Sistemas de seguridad: El sistema de seguridad consiste de sistema de alarmas de intrusión y alarmas de protección contra incendios, alarmas de emergencia en elevadores y puertas, sistema de monitoreo para la seguridad personal, aclarando que estos sistemas deben ser automatizados.. •. Sistemas automatizados: Sistemas automatizados que realicen funciones como abrir puertas, encendido de luces automático, sistema de ventilación automático, control de temperatura.. 2.2.2 Efectos de una descarga atmosférica sobre un edificio inteligente. Como se menciona en la introducción, un edificio inteligente contiene sistemas electrónicos automatizados que dependen en su mayoría de una alimentación de un sistema de distribución de energía eléctrica. Es claro que un sistema eléctrico se ve afectado por fenómenos asociados a una descarga atmosférica. Por esta razón en un edificio inteligente se presentan problemas en el funcionamiento cuando se presenta una descarga atmosférica. Los principales problemas que se pueden presentar en este tipo de contingencia se pueden catalogar de dos formas: perturbaciones eléctricas y equipotencialidad y problemas asociados a compatibilidad electromagnética.. 31.

(32) IEL1-II-04-01 IEL1-II-04-08. Las altas corrientes que se pueden presentar en un sistema de protección contra rayos ante el impacto de un rayo presentan efectos negativos que afectan el estado estable del sistema eléctrico y de comunicaciones del edificio. Estos efectos se presentan debido a que estas corrientes pueden filtrarse como corrientes espureas y afectar la equipotencialidad del sistema de puesta a tierra. Estas corrientes pueden causar riesgos para la vida humana, disparo de breakers y dispositivos, mal funcionamiento de impresoras y maquinas de Fax y quema de equipos. La descarga atmosférica es un fenómeno de tipo electromagnético y todo fenómeno electromagnético. acarrea. perturbaciones. a. un. determinado. ambiente. electromagnético. Teniendo en cuenta el grado de automatización y de desarrollo tecnológico que posee un edificio inteligente se debe considerar una protección contra las interferencias electromagnéticas ya que este tipo de interferencias son la mayor fuente de perturbaciones al ambiente electromagnético.. Las interferencias. electromagnéticas causan mal funcionamiento en los sistemas de control, sistemas de comunicaciones, sistemas de seguridad y quema de equipos.. 2.2.3 Estrategias de protección contra descargas atmosféricas en un edificio inteligente. Las estrategias para la protección se pueden clasificar en dos tipos: protecciones externas y protecciones internas. En cuanto a protecciones externas se tienen tres elementos principales: desarrollo de un sistema de pararrayos, desarrollo de un sistema de bajantes e implementación de un sistema de puesta a tierra. En el caso de las protecciones internas se desarrollaran estrategias que permitan controlar los fenómenos eléctricos y de compatibilidad electromagnética mediante dispositivos y aislamientos capaces de prevenir y corregir los efectos negativos que se presentan por las perturbaciones a nivel eléctrico y electromagnético.. 32.

(33) IEL1-II-04-01 IEL1-II-04-08. 3. Desarrollo de la metodología En este capítulo se planteará una metodología unificada para la protección de edificios inteligentes.. Como primera medida se hará una breve introducción y una. clarificación sobre el enfoque de la metodología luego se desarrollarán una seria de recomendaciones para lograr una protección eficaz a nivel externo e interno de este tipo de edificación. Por último se plantearan una serie de recomendaciones para la seguridad personal de las personas que habiten o laboren en la estructura.. 3.1 Introducción Existen actualmente diversas normas y recomendaciones para estructuras civiles y militares de todo tipo que han demostrado eficacia en la protección contra fenómenos de descargas atmosféricas pero ninguna metodología esta enfocada a la protección de edificios inteligentes. Es por esto que se ha querido desarrollar una metodología unificada que esté enfocada principalmente a los requerimientos y desafíos tecnológicos propuestos en un edificio de alta tecnología.. 3.2 Enfoque de la metodología. En esta metodología se quiere establecer pautas para la protección integral de una edificación inteligente.. Este enfoque nos conlleva a considerar. los aspectos de. 33.

(34) IEL1-II-04-01 IEL1-II-04-08. protecciones externos en su integridad y así mismo considerar las protecciones internas que disminuyan los efectos que conciernen a las cargas internas a proteger.. 3.3 Recomendaciones para determinar la confiabilidad del sistema Como primer paso para establecer un sistema de protección contra rayos se debe considerar el estado actual de la estructura a proteger, las características ambientales de su ubicación y las características de su entorno urbano.. 3.3.1 Recolección de parámetros meteorológicos La cantidad y frecuencia de tormentas eléctricas en una región depende de su ubicación geográfica. En el trópico y las regiones oceánicas las tormentas eléctricas son mas frecuentes. que en regiones templadas y países centrales. Las regiones. montañosas tienen la mayor de densidad en impactos de tormentas eléctricas.14 Parámetros como la latitud y la altura son relevantes cuando se realiza un diseño de protecciones contra descargas atmosféricas, ya que las características del rayo cambian dependiendo la latitud. Los parámetros del rayo han sido medidos en latitudes norte o sur, en las zonas tropicales o semitropicales no se tiene mediciones de los parámetros del rayo.. En Colombia hay tres sistemas instalados en RECMA, propiedad Interconexión eléctrica S.A. –ISA (6 sensores tecnología LPATS); Empresas Publicas de Medellín – EEPPM (4 sensores tecnología LLP) y Programa de Adquisición y Análisis de Señales – P.A.A.S. – Universidad Nacional de Colombia (1 sensor TSS-420)8. Sin embargo no se tiene una buena recolección de datos para determinar adecuadamente los parámetros del rayo en Colombia.. 34.

(35) IEL1-II-04-01 IEL1-II-04-08. En la NTC 4552 se recomienda considerar probabilisticamente los valores sugeridos por CIGRE en la latitud norte o los estimados por las instituciones nombradas anteriormente. Es importante tener presenta que de acuerdo ha resultados de investigaciones se ha planteado la hipótesis que en países tropicales se obtengan parámetros del rayo superiores a los de otras latitudes, por lo que la norma recomienda utilizar parámetros de rayo con baja probabilidad de ser superados8.. 3.3.2 Determinación del nivel ceráunico. El Nivel ceráunico – NC está definido en la NTC 4552 como el número de días en los cuales es oído por lo menos un trueno al año8. En Colombia se tiene el mapa de niveles ceráunicos dado por estudios de la universidad nacional en convenio con el HIMAT15. 3.3.3 Caracterización de la estructura Para la realización del sistema de protección contra descargas atmosféricas es tan necesaria la caracterización. meteorológica del sitio de estudio como la. caracterización espacial de la estructura. Con la caracterización meteorológica y espacial del sitio se determina el factor de riesgo según la NTC 4552.. En la norma se dan las tablas que se muestran a. continuación en las cuales se dan los índices relacionados con la estructura, como lo son el uso, el tipo y la combinación de altura y área. La suma de estos da la gravedad del sistema8.. 35.

(36) IEL1-II-04-01 IEL1-II-04-08. Figura 3. Mapa de niveles ceráunicos de Colombia [15].. La norma establece que para valores de gravedad mayores a 80 la gravedad es severa, entre 66 y 80 la gravedad es alta, entre 51 y 65 la gravedad es moderada, entre 36 y 50 la gravedad es baja y finalmente valores menores a 36 presentan gravedad leve8. La gravedad del sistema es un buen apoyo para diseñar las protecciones externas del sistema, es decir las referidas al sistema de captación, bajante y puesta a tierra. Según la norma NTC 4552 dependiendo el nivel de gravedad se determina si es necesaria o no la implementación de un sistema de protecciones externa.. 36.

(37) IEL1-II-04-01 IEL1-II-04-08 TABLA III. VALORES DEL INDICE RELACIONADO CON EL USO DE LA ESTRUCTURA [8]. Clasificación de. Uso de la estructura. Valor índice. estructuras Estructuras de uso común. Teatros,. colegios,. supermercados,. escuelas,. centros. iglesias,. comerciales,. 40. áreas. deportivas, hospitales, prisiones, ancianatos, jardines infantiles, guarderías, hoteles.. Oficinas y vivienda de tipo urbano y rural.. 30. Banco, compañías aseguradoras, industriales,. 20. museos,. bibliotecas,. sitios. históricos. y. arqueológicos.. Estructuras utilizadas para la. Estructuras de comunicaciones, instalaciones. presentación. para acueducto.. de. servicios. 10. públicos.. TABLA IV. VALORES DEL INDICE RELACIONADO CON EL TIPO DE LA ESTRUCTURA [8].. Tipo. de Valor. Estructura. índice. No metálica. 40. Mixta. 20. Metálica. 0. del. TABLA V VALORES DEL INDICE RELACIONADO CON LA ALTURA Y EL AREA DE LA ESTRUCTURA [8].. Altura y área de la estructura Valor del índice Área menor a 900m2. Altura menor a 25 m. 5. Altura mayor o igual a 25m. 20. Área mayor o igual a 900 m2. Altura menor a 25m. 10. Altura mayor o igual a 25m. 20. 37.

(38) IEL1-II-04-01 IEL1-II-04-08. 3.3.4 Análisis de planos. Los resultados del análisis de planos de la estructura son importantes en el diseño del sistema de protección ya que mediante estos se determinan los sitios de mayor riesgo dentro de la estructura, así como los sitios donde seria recomendable o no instalar protecciones tanto internas como externas.. 3.5 Recomendaciones para protecciones externas En esta sección se describirán las tipos de protección recomendadas a nivel nacional e internacional que deben ser utilizadas a nivel externo de la estructura. Se describirá los elementos necesarios como los parámetros de diseño para luego definir las recomendaciones para el pararrayos, bajantes y sistema de puesta a tierra.. 3.5.1 Pararrayos Los pararrayos cumplen la función de interceptar los rayos que pueden impactar la estructura que se desea proteger8. Es claro que es imposible garantizar un 100% de protección contra impactos de un rayo, pero la probabilidad de que un rayo penetre en el espacio a proteger se reduce considerablemente con la presencia del dispositivo captador16.. Para el diseño de las instalaciones de protección contra rayos se debe. utilizar el método electrogeométrico según las recomendaciones de las normas colombianas e internacionales.. El modelo electrogeométrico es un sistema analítico desarrollado por Gilman y Whitehead referido a un modelo para determinar la efectividad de los apantallamientos. En él se pretende que los objetos a proteger sean menos atraídos a los rayos que los elementos apantalladores16.. 38.

(39) IEL1-II-04-01 IEL1-II-04-08. El método está fundamentado en el concepto de distancia de atracción de la descarga por una estructura (rs). La distancia de atracción determina la posición de la estructura interceptora con respecto a la estructura protegida o permite establecer cual es el área de cubrimiento de una estructura para una corriente dada16. Esta distancia de atracción de determina por:. rs = 9,41 * I 0, 65. para I < 30 kA.. rs = 2 * I + 30 para I > 30 kA.. Es importante anotar que los pararrayos deben ser varillas en forma puntiaguda afilada o redondeada, aún no se ha podido demostrar cual forma es mejor, sin embrago recientes estudios apuntan a que las formas redondeadas presentan un mejor comportamiento14.. Según las recomendaciones del NTC 4552, la altura de las varillas no debe ser menor 0,25 m para intervalos máximos de 6 m entre puntas y no menor a 0,6 para intervalos máximos de 8 m. Si la altura excede los 0,6 m por encima de las partes altas de la estructura, se debe sujetar en un punto no menor a la mitad de su altura16.. Todos los elementos de la instalación del sistema deben estar anclados a la estructura mediante anillos conductores, con un calibre igual al de las bajantes.. Cualquiera de los elementos que se encuentre expuesto al impacto de un rayo como antenas de radio y televisión, chimeneas y torres de comunicación deben ser tratados como puntas interceptación. No se debe utilizar dispositivos de interceptación con elementos radioactivos16.. 39.

(40) IEL1-II-04-01 IEL1-II-04-08. 3.5.2 Bajantes La funcionalidad de las bajantes es derivar la corriente del rayo que incide sobre la estructura e impacta en las puntas de captación, es decir las bajantes conducen la corriente de descarga atmosférica desde el dispositivo captador a la toma a tierra.. Las recomendaciones a tener en cuenta en la metodología están dadas en las normas IEC 61024 y en la NTC 4552. Según la NTC 4552 se tendrá en cuenta lo siguiente8: •. Cada una de las bajantes debe tener su propio electrodo a tierra.. •. Por razones eléctricas, mecánicas y térmicas los conductores de las bajantes del sistema equipotencial y derivaciones deben estar de acuerdo con la tabla VI.. TABLA VI NÚMERO DE BAJANTES DE ACUERDO A LA ALTURA DE LA ESTRUCTURA [8].. Altura de la. Número de. estructura. bajantes. Calibre del conductor de acuerdo con el material de este. Cobre. Aluminio. Menor que 25m. 2. 2 AWG. 1/0 AWG. Mayor que 25m. 4. 1/0 AWG. 2/0 AWG. •. Adicional al anillo conductor de la parte superior de la estructura, por cada 50m de altura del edificio se debe instalar otro anillo horizontal, del mismo calibre de las bajantes, que permita la unión de las celdas.. Según la IEC 1024-1 se tendrán en cuenta las siguientes recomendaciones16, teniendo en cuenta que el sistema de protección contra descargas atmosféricas es no aislado:. •. Las bajantes se repartirán a lo largo del perímetro del espacio a proteger, de forma que su separación media no sea superior a los valores que figuran en la tabla VII.. 40.

(41) IEL1-II-04-01 IEL1-II-04-08. TABLA VII SEPARACION MEDIA DE LAS BAJANTES EN FUNCION DEL NIVEL DE PROTECCIÓN [16].. NIVEL DE. DISTANCIA. PROTECCION MEDIA (m). •. I. 10. II. 15. III. 20. IV. 25. Las bajantes , se podrán instalar de la siguiente forma: o Si la pared está hecha a base de material combustible, se podrán montar las bajantes directamente sobre la superficie de la pared, o empotradas en ella. o Si la pared esta hecha de material inflamable, se podrán montar las bajantes sobre la superficie de la pared, supuesto que la elevación de la temperatura debida a la circulación de la corriente de la descarga atmosférica no es peligrosa para el material de la pared. o Si la pared está hecha de material inflamable y la elevación de la temperatura de las bajantes es peligrosa, se colocarán las bajantes de forma que la distancia entre ellos y el espacio a proteger sea siempre superior a 0.1m. Pueden estar en contacto con la pared las piezas metálicas de montaje. o Conviene no instalar bajantes en canalones o tubos de bajada aunque estén recubiertos de material aislante. Los efectos de humedad en los canalones provocan una fuerte corrosión en la bajante. o Se recomienda que las bajantes estén colocadas de tal forma que haya un espacio entre ellos y las puertas y ventanas.. 41.

(42) IEL1-II-04-01 IEL1-II-04-08. •. Se instalarán las bajantes rectas y verticales para obtener el trayecto mas corto y el mas directo posible a tierra. Se evitará la formación de bucles.. •. Se podrán considerar como bajantes “naturales” los siguientes elementos del edificio: o Instalaciones metálicas: si la conductividad eléctrica entre los diferentes elementos se realiza de forma duradera; si las dimensiones de la instalación son iguales al menos a las especializaciones para las bajantes estándar. o La estructura metálica del edificio. o Las armaduras de acero interconectadas del edificio. o Los elementos de la fachada, perfiles y soportes de las fachadas metálicas: si sus dimensiones están de acuerdo con las exigencias impuestas a las bajantes y su espesor no es inferior a 0.5mm; si su continuidad eléctrica esta garantiza por las uniones mínimas o la separación de las piezas metálicas no es superior a 1mm y el solape entre dos elementos es al menos 100 cm2.. •. Pueden no conectarse bajantes anulares horizontales si la estructura metálica o las armaduras de acero interconectadas del edificio sirven de bajantes.. 3.5.3 Sistemas de puesta a tierra Un sistema de puesta a tierra asegura la dispersión de la corriente del rayo en la tierra sin causar sobretensiones que puedan afectar el desempeño del sistema eléctrico y de comunicaciones. En general los autores recomiendan un valor bajo de la resistencia del electrodo a tierra.. 42.

(43) IEL1-II-04-01 IEL1-II-04-08. Desde el punto de vista de la protección contra rayos, la mejor solución es una sistema de tierra previsto para todos los fines como protección contra rayo, circuitos de alimentación en baja tensión y circuitos de telecomunicaciones16.. El sistema de puesta a tierra en una locación se obtiene mediante la unón de todos los equipos eléctricos, estructuras metálicas, tierra de subestaciones, etc., a un electrodo de puesta a tierra de valor de resistencia ohmica baja, para establecer una condición equipotencial entre todos los equipos y estructuras, ofreciendo así un camino de baja resistencia a los rayos, la reducción del ruido de telecomunicaciones y un camino de retorno en circuitos eléctricos y electrónicos.8. Las altas corrientes de rayos que se presentan en el territorio colombiano exigen tener puestas a tierra con bajos valores de impedancia. Según la normatividad colombiana un sistema de puesta a tierra debe poseer un máximo de 15 Ohmios y es ideal que sea igual o menor a 1 Ohmio. Este valor ideal asegura reducir las tensiones de paso y contacto.. La instalación de un sistema de puesta a tierra presenta las siguientes ventajas: Los peligros de fuego y riesgo contra la vida humana se reducen gracias a la reducción de tensiones peligrosas. Garantía de equipotencialidad para los equipos eléctricos y electrónicos. Posibilidad de interconectar diferentes sistemas o componentes de diversos sistemas de protección contra rayos.. El esquema de puesta a tierra debe estar enfocado a reducir la interferencia en los sistemas de baja potencia y baja frecuencia y proveer puestas a tierra de baja impedancia a los sistemas de alta frecuencia y de comunicaciones17.. 43.

(44) IEL1-II-04-01 IEL1-II-04-08. Es importante mantener una limpieza cuidadosa en la instalación de todos los componentes. En el dimensionamiento del sistema de puesta a tierra se recomienda que la puesta a tierra sea contraída en su totalidad en cobre que posee una alta conductividad. Es recomendable utilizar electrodos de por lo menos 12,7mm de diámetro y 2,40 m de longitud. Los conductores del sistema de puesta a tierra que unen puntos de conexión deben ser los más cortos y rectos posibles. Todas las uniones entre conductores a tubos y a platinas deben ser realizadas con soldadura exotérmica.. El sistema equipotencial debe ser un conductor o un grupo de conductores y deben estar conectados al barraje equipotencial Para la protección de las instalaciones eléctricas y electrónicas se debe realizar la interconexión a tierra de todos los sistemas. Con ello se obtiene un potencial común y se logra que todas las instalaciones se eleven al mismo potencial.. 3.6 Protecciones internas. Es necesario contar con un sistema interno que permita proteger el sistema eléctrico y de comunicaciones contra corrientes inducidas. Estas corrientes inducidas pueden ocasionar sobretensiones peligrosas para las estructuras en su interior.. Todos los cables pertenecientes al cableado estructurado y sistemas de control deben ser instalados dentro de canaletas y escaleras que disipen los efectos de una sobretensión, ya que este tipo de estructura metálica se comporta como una jaula de Faraday ante las inducciones electromagnéticas.. 44.

(45) IEL1-II-04-01 IEL1-II-04-08. Se recomienda que los pisos en donde se encuentren instalados los centros de cómputo y de control se instalen descargadores o limitadores de sobretensión que protejan adecuadamente a los daños que puedan ocurrir.. 3.6.1 Protecciones primarias Este tipo de protecciones se instala para proteger contra sobretensiones que puedan llegar en las antenas de comunicaciones, antenas de televisión, ductos de gas o de agua o redes de energía eléctrica.. Para realizar esta protección todos estos elementos, es necesario conectarlos al barraje equipotencial. También se requiere que el neutro de la instalación este conectado al barraje equipotencial y posea un descargador de sobretensiones.. Según las normas colombianas los descargadores de sobretensión deben poseer las siguientes características: Tensión de sostenimiento entre 1,7 y 2 veces la tensión pico del sistema de alimentación de energía. Sobreexcursión máxima menor de 10 KV con un tiempo de duración de 1 µs.. 3.6.2 Protecciones secundarias Para realizar una protección adecuada de todos los sistemas telefónicos y de datos se recomienda instalar a la entrada de línea protecciones adicionales que no afecten el funcionamiento normal de los equipos a proteger. Las protecciones secundarios deben estar dimensionadas para soportar máximo dos veces la tensión pico normal.. Estas protecciones se deben conectar sin conductores que permitan la inducción y se deben instalar muy cerca del equipo a proteger.. 45.

(46) IEL1-II-04-01 IEL1-II-04-08. Las redes de gran extensión pueden ser causal de inducción de tensiones peligrosas. Para edificios de gran altura se recomienda aislar las redes de comunicaciones horizontales mediante optoacopladores o dispositivos similares.. 3.7 Protecciones inteligentes Ya que un edificio inteligente cuenta con sistemas de control automatizados y centralizados, es posible aprovechar esta característica para reforzar las protecciones anteriormente mencionadas y lograr así una mejor protección contra rayos. Mediante las protecciones inteligentes se pueden medir la variación del campo eléctrico incidente en sistema captación y definir un riesgo de impacto de un rayo al sistema. Si el sistema detecta una alta probabilidad de incidencia, puede activar alarmas que permitan tomar las medidas necesarias a nivel operativo y a nivel de seguridad, para evitar consecuencias no deseadas. A nivel experimental en las universidades colombianas han desarrollado sistemas de medida de campo eléctrico de bajo costo, que podrían implementarse a nivel comercial y así introducirlos en el proceso de diseño del sistema de protección contra rayos. Un sistema de control inteligente es capaz de determinar condiciones de mal funcionamiento del sistema eléctrico y de comunicación mediante instrumentos de medida, con esto se recomienda implementar brekers o switches inteligentes que sean activados desde el sistema de control, para prevenir el daño de los sistemas básicos y fundamentales del edificio. La estrategia de control del edificio inteligente deberá contar con un esquema de protección. contra. mal. funcionamientos. de. sistemas. automáticos. (puertas. automáticos, sistema de incendios, sistemas de seguridad, alarmas) que permitan retornar al estado original después de una contingencia.. 46.