NORMA TÉCNICA NTC COLOMBIANA 4552-1
2008-11-26
PROTECCIÓN CONTRA DESCARGAS ELÉCTRICAS ATMOSFÉRICAS (RAYOS).
PARTE 1: PRINCIPIOS GENERALES
E: PROTECTION AGAINST LIGHTNING. PART 1: GENERAL PRINCIPLES
CORRESPONDENCIA: esta norma es modificada (MOD) de la norma IEC 62305-1:2006.
DESCRIPTORES: descarga eléctrica atmosférica, protección contra rayo, nivel de protección contra rayo, zona de protección contra rayo.
I.C.S.: 91.120.40
Editada por el Instituto Colombiano de Normas Técnicas y Certificación (ICONTEC) Apartado 14237 Bogotá, D.C. - Tel. (571) 6078888 - Fax (571) 2221435
Prohibida su reproducción Editada 2008-12-10
PRÓLOGO
El Instituto Colombiano de Normas Técnicas y Certificación, ICONTEC, es el organismo nacional de normalización, según el Decreto 2269 de 1993.
ICONTEC es una entidad de carácter privado, sin ánimo de lucro, cuya Misión es fundamental para brindar soporte y desarrollo al productor y protección al consumidor. Colabora con el sector gubernamental y apoya al sector privado del país, para lograr ventajas competitivas en los mercados interno y externo.
La representación de todos los sectores involucrados en el proceso de Normalización Técnica está garantizada por los Comités Técnicos y el período de Consulta Pública, este último caracterizado por la participación del público en general.
La NTC 4552-1 fue ratificada por el Consejo Directivo de 2008-11-26.
Esta norma está sujeta a ser actualizada permanentemente con el objeto de que responda en todo momento a las necesidades y exigencias actuales.
A continuación se relacionan las empresas que colaboraron en el estudio de esta norma a través de su participación en el Comité Técnico 147 Protección contra descargas eléctricas atmosféricas.
DEMO INGENIERÍA ECOPETROL ELECTROPOL GENELEC IEB INGENIERÍA INGETESA
LEVITON SPAT - MTM SPT INGENIERÍA
UNIVERSIDAD DE LA SALLE UNIVERSIDAD DISTRITAL UNIVERSIDAD NACIONAL
Además de las anteriores, en Consulta Pública el Proyecto se puso a consideración de las siguientes empresas:
COMISIÓN REGULADORA DE ENERGÍA Y GAS
CONSULTORÍA COLOMBIANA S.A.
EMPRESA UNIPERSONAL CARLOS A.
ACOSTA S.
EMPRESAS PÚBLICAS DE MEDELLÍN ESP HIDROCOL
INELMEC S.A.
INTERNACIONAL DE INGENIERÍA SEGURIDAD ELÉCTRICA LTDA.
SIEMENS
UNIVERSIDAD DE ANTIOQUIA UNIVERSIDAD DEL NORTE UNIVERSIDAD DEL VALLE
ICONTEC cuenta con un Centro de Información que pone a disposición de los interesados normas internacionales, regionales y nacionales y otros documentos relacionados.
DIRECCIÓN DE NORMALIZACIÓN
NORMA TÉCNICA COLOMBIANA NTC 4552-1
CONTENIDO
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INTRODUCCIÓN
1. ALCANCE ... 1
2. REFERENCIAS NORMATIVAS ... 1
3. TÉRMINOS Y DEFINICIONES ... 2
4. PARÁMETROS DEL RAYO ... 7
5. DAÑOS DEBIDOS A RAYOS ... 7
5.1 DAÑOS A ESTRUCTURAS ... 7
5.2 DAÑOS EN ACOMETIDAS ... 10
5.3 TIPOS DE PÉRDIDAS ... 11
6. NECESIDADES Y CONVENIENCIAS ECONÓMICAS PARA LA PROTECCIÓN CONTRA RAYO ... 13
6.1 NECESIDAD DE LA PROTECCIÓN CONTRA RAYO ... 13
6.2 CONVENIENCIAS ECONÓMICAS DE LA PROTECCIÓN CONTRA RAYO ... 14
7. MEDIDAS DE PROTECCIÓN ... 14
7.1 MEDIDAS DE PROTECCIÓN PARA REDUCIR LESIONES EN SERES VIVOS CAUSADAS POR TENSIONES DE PASO Y CONTACTO ... 14
7.2 MEDIDAS DE PROTECCIÓN PARA REDUCIR DAÑOS FÍSICOS ... 15
7.3 MEDIDAS DE PROTECCIÓN PARA REDUCIR FALLAS EN SISTEMAS ELÉCTRICOS Y ELECTRÓNICOS ... 15
7.4 SELECCIÓN DE MEDIDAS DE PROTECCIÓN ... 16
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8. CRITERIOS BÁSICOS PARA LA PROTECCIÓN DE ESTRUCTURAS Y
ACOMETIDAS ... 16
8.1 NIVELES DE PROTECCIÓN CONTRA RAYO (NPR) ... 16
8.2 ZONAS DE PROTECCIÓN CONTRA RAYO (ZPR) ... 18
8.3 PROTECCIÓN DE ESTRUCTURAS ... 19
8.4 PROTECCIÓN DE ACOMETIDAS ... 22
BIBLIOGRAFÍA ... 70
FIGURAS Figura 1. Tipo de pérdidas como resultado de diferentes tipos de daño ... 14
Figura 2. Zonas de protección contra rayos ZPR definidas para un SIPRA (NTC 4552-3) ... 19
Figura 3. Zonas de protección contra rayos ZPR definidas para medidas de protección contra IER ... 20
TABLAS Tabla 1. Efecto de los rayos sobre estructuras típicas ... 8
Tabla 2. Efectos del rayo en acometidas típicas ... 10
Tabla 3. Daños y pérdidas en una estructura de acuerdo con diferentes puntos de impacto ... 12
Tabla 4. Daños y pérdidas en la acometida de servicio de acuerdo con diferentes puntos de impacto de rayo ... 13
Tabla 5. Valores máximos de parámetros del rayo de acuerdo con el NPR ... 17
Tabla 6. Valores mínimos de parámetros del rayo relativos al radio de la esfera rodante correspondiente a cada NPR ... 18
Tabla 7. Probabilidades para los límites de los parámetros del rayo ... 18
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ANEXOS
ANEXO A (Informativo)
PARÁMETROS DEL RAYO ... 23
ANEXO B (Informativo)
FUNCIONES DE LOS PARÁMETROS DEL RAYO PARA PROPÓSITOS DE ANÁLISIS EN EL DOMINIO DEL TIEMPO ... 38
ANEXO C (Informativo)
SIMULACIÓN DE LOS PARÁMETROS DEL RAYO PARA PROPÓSITOS DE PRUEBA.. 41
ANEXO D (Informativo)
PARÁMETROS DE PRUEBA PARA SIMULAR LOS EFECTOS DE LOS RAYOS
SOBRE COMPONENTES DE UN SIPRA ... 45
ANEXO E (Informativo)
SOBRETENSIONES DEBIDAS A IMPACTOS DE RAYOS EN DIFERENTES PUNTOS DE LA INSTALACIÓN ... 60
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INTRODUCCIÓN
Las descargas eléctricas atmosféricas o rayos son un fenómeno natural que varía con el espacio y con el tiempo y no existen actualmente dispositivos tecnológicos ni métodos capaces de evitarlos, pero sí de prevenirlos. Los rayos que impactan en las estructuras, las acometidas de servicios domiciliarios (energía, acueducto, telecomunicaciones) o cerca del suelo, son peligrosos para las personas, para los hogares, afectando su contenido e instalaciones. Por lo tanto debe ser considerada la aplicación de medidas de protección contra rayos.
La necesidad de protección, las ventajas económicas de instalación de la protección y la selección de las medidas adecuadas para la protección se deben determinar en términos del manejo del riesgo. El método de manejo de riesgo se expresa en la NTC 4552-2.
Los criterios para el diseño, la instalación y el mantenimiento de medidas de protección contra rayo se consideran dentro de tres grupos separados:
Un primer grupo se refiere a las medidas de protección para reducir los daños físicos y el peligro de los seres vivientes dentro de una estructura, expresado en la NTC 4552-3.
Un segundo grupo se refiere a las medidas de protección para reducir las fallas en los sistemas eléctricos y electrónicos de una estructura, expresados en la 4552-4 (por publicar).
Un tercer grupo se refiere a las medidas de protección para reducir los daños físicos y fallas en la prestación de servicios que incorporan una estructura (principalmente eléctricos y las líneas de telecomunicación), expresados en la NTC 4552-5 (por publicar).
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1 de 71 PROTECCIÓN CONTRA DESCARGAS
ELÉCTRICAS ATMOSFÉRICAS (RAYOS).
PARTE 1: PRINCIPIOS GENERALES
1. ALCANCE
Esta norma presenta los principios generales que deben seguirse en la protección contra rayos de:
- Estructuras, incluyendo sus instalaciones y contenidos, así como a las personas.
- Servicios que entran a la estructura
Los siguientes casos están fuera del objeto de esta norma:
- Sistemas de trenes eléctricos;
- Vehículos, barcos, aeronaves, instalaciones en mar abierto;
- Tuberías subterráneas de alta presión;
- Redes de tuberías, energía y telecomunicaciones no conectadas a la estructura.
2. REFERENCIAS NORMATIVAS
Los siguientes documentos normativos fueron tenidos en cuenta en la elaboración de la presente norma. Se recomienda aplicar las ediciones más recientes de los documentos normativos indicados a continuación. Los miembros de ICONTEC, la lEC y de la ISO mantienen registros de las normas internacionales actualmente válidas.
NTC 2050:1998, Código Eléctrico Colombiano.
lEC 60364, (All Parts) Electrical Installations of Buildings.
lEC 60479, (All Parts) Effects of Current on Human Beings and Livestock
lEC 61643-1:2005, Low-voltage Surge Protective Devices. Part 1: Surge Protective Devices Connected to Low-voltage Power Distribution Systems. Requirements and Tests.
lEC 61643-12:2002, Low-voltage Surge Protective Devices. Part 12: Surge Protective Devices Connected to Low-voltage Power Distribution Systems. Selection and Application Principles.
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2 de 71 lEC 62305, (All Parts) Protection Against Lightning.
IEEE C.62.41.1:2002, Guide on the Surge Environment in Low-Voltage (1 000 V And Less) AC Power Circuits.
IEEE C.62.41.2:2002, Recommended Practice on Characterization of Surges in Low-voltage (1 000 V and Less) AC Power Circuits.
IEEE C.62.45:2002, Recommended Practice on Surge Testing For Equipment Connected to Low- voltage (1 000 V and Less) AC Power Circuits
3. TÉRMINOS Y DEFINICIONES
Para propósito de esta norma, se aplican las siguientes definiciones:
3.1 Acometida a ser protegida (Service to be Protected). Acometida conectada a una estructura para la cual se requiere protección contra los efectos del rayos
3.2 Apantallamiento magnético (Magnetic Shield). Conjunto de elementos metálicos que encierran el objeto a proteger, o parte de este, para reducir fallas en sistemas eléctricos y electrónicos.
3.3 Carga del rayo (Qrayo) (Flash Charge). Integral en el tiempo de la corriente de rayo para la duración completa del rayo.
3.4 Carga eléctrica de una descarga corta (Qcorta) (Short Stroke Charge). Integral en el tiempo de la corriente de rayo en una descarga corta.
3.5 Carga eléctrica de una descarga larga (Qlarga) (Long Stroke Charge). Integral en el tiempo de la corriente de rayo en una descarga larga.
3.6 Conductor blindado (Shielding Wire). Conductor metálico (alambre) usado para reducir daños físicos en acometidas, causados por el rayo.
3.7 Conexión equipotencial de rayo (Lightning Equipotential Bonding). Conexiones al SIPRA de piezas metálicas separadas por conexiones conductoras directas o por dispositivos de protección contra sobretensiones (DPS), empleadas para reducir las diferencias de potencial causadas por corrientes de rayo.
3.8 Corriente de rayo (i) (Lightning Current). Corriente que fluye en el punto de impacto.
3.9 Daño físico (Physical Damage). Daño a la estructura o al contenido de la misma debido a efectos mecánicos, térmicos, químicos y explosivos del rayo.
3.10 Descarga (Lightning Stroke). Descarga eléctrica atmosférica simple a tierra.
3.11 Descarga ascendente (Upward Flash). Rayo iniciado por un líder ascendente desde una estructura conectada a tierra hacia una nube. Una descarga ascendente consiste de una primera descarga larga con o sin múltiples descargas cortas sobrepuestas. Una o más descargas cortas pueden ser seguidas por una descarga larga.
3.12 Descarga corta (Short Stroke). Parte del rayo que corresponde a un impulso de corriente.
Esta corriente tiene un tiempo medio T2 comúnmente menor a 2 ms, (véase la Figura A.1).
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3.13 Descarga descendente (Downward Flash). Rayo iniciado por un líder descendente de nube a tierra. La descarga descendente consiste en una primera descarga corta (Short Stroke), que puede estar seguida por otras descargas cortas subsecuentes. Una o más descargas cortas pueden estar seguidas por una descarga larga (Long Stroke).
3.14 Descarga larga (Long Stroke). Parte del rayo que corresponde a una corriente continua. El tiempo de duración Tlargo (tiempo del 10 % del valor en el frente al 10 % del valor en la cola) de esta corriente continua, es típicamente mayor de 2 ms y menor de 1 s (véase la Figura A.2).
3.15 Descarga nube tierra (Lightning Flash to Earth). Rayo de origen atmosférico entre nube y tierra que consiste en una o más descargas (Strokes).
3.16 Dispositivo de protección contra sobretensiones DPS (Surge Protective Device SPD).
Dispositivo que limita intencionalmente las sobretensiones transitorias y dispersa las sobrecorrientes transitorias. Contiene por lo menos un componente no lineal.
3.17 Dispositivo de protección contra sobretensiones transitorias del tipo conmutación de tensión. Un DPS que tiene una alta impedancia cuando no está presente un transitorio, pero que cambia súbitamente su impedancia a un valor bajo en respuesta a un transitorio de tensión.
Ejemplos de estos dispositivos son: Los vía de chispa, tubos de gas, entre otros.
3.18 Dispositivo de protección contra sobretensiones transitorias del tipo limitación de la tensión. Un DPS que tiene una alta impedancia cuando no está presente un transitorio, pero que se reduce gradualmente con el incremento de la corriente y la tensión transitoria. Ejemplos de estos dispositivos son: varistores, diodos de supresión, entre otros.
3.19 Duración de corriente de descarga larga (Tlarga) (Duration of Long Stroke Current) Tiempo que dura la descarga larga (véase la Figura A.2).
3.20 Duración del rayo (T) (Flash Duration). Tiempo durante el cual la corriente del rayo fluye en el punto de impacto.
3.21 Energía específica de la corriente de descarga corta (Specific Energy of Short Stroke Current). Integral en el tiempo del cuadrado de la corriente de rayo para una descarga corta.
NOTA La energía específica de una descarga corta es insignificante.
3.22 Energía específica del rayo (W/R) (Specific Energy). Representa la energía disipada por la corriente de rayo en una resistencia unitaria y se obtiene mediante la integral en el tiempo del cuadrado de la corriente de rayo para la duración completa del mismo.
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4 de 71 BIBLIOGRAFÍA
[1] Torres, H. “El Rayo, mitos, leyendas, ciencia y tecnología” Editorial UNIBIBLOS, Bogotá, DC, Colombia, 2002.
[2] Younes C. “Evaluación de Parámetros del Rayo con Mediciones Terrestres y Satelitales para Colombia” Tesis de Maestría, Universidad Nacional de Colombia, Bogotá, DC, 2002.
[3] Cherchiglia et., al. “Lightning Program Carried out by Compañía Energética de Minas Gerais CEMIG” Conference Proceedings Ground 98, Belo Horizonte, Brazil, 1998.
[4] Mello, J.C., et., al. “Enhancement of Morro do Cachimbo Station Facilities for Measurement of Lightning Currents” Conference Proceedings, Ground 2000, Belo Horizonte, Brazil, 2000.
[5] M.A.Schroeder, "Modelo Eletromagnético Para Descontaminação De Ondas De Corrente De descargas Atmosféricas: Aplicação Às Medições da Estação do Morro do Cachimbo (in Portuguese)." Phd Thesis, Universty of Minas Gerais, 2001.
[6] Uman, M. “The Lightning Discharge”, International Geophysics Series, Vol. 39, 1987.
[7] Lee, S. C. et al. “Determination of Lightning Current Using Frame Aerials”. IEEE Transactions on Power Delivery, Vol. PAS-98, No. 5, Sept./ Oct. 1979. p. 1669-1675.
[8] F. de la Rosa, K. Cummins, L. Dellera, G. Diendorfer, A. Galván, J. Husse, V. Larsen, C.A. Nucci, F. Rachidi, V. Rakov, H. Torres and M.A. Uman. “Characterization of Lightning for Applications in Electric Power Systems” Electra No. 172 (Technical Brochure), CIGRE WG. 33.01.02, December 2000.
[9] Rondón, D., Briceño, W. “Modelos de la corriente del rayo a partir del campo eléctrico”
Tesis de pregrado, Universidad Nacional de Colombia, Departamento de Ingeniería Eléctrica, Bogotá, 1996.
[10] Standard IEC 62305-1 Lightning Protection. Part 1: General Principles. 2005
[11] Williams, Torres, H., E., Boccippio, D., Petersen, W., Rutledge, S., Ishii, M., Hidayat, S., Jayaratne, R., Yair,Y., Levin, Z., Mackerras, D. “ Latitude Dependence of Ground Flash Density in the Tropics and Subtropics” American Geophysical. Union. Meeting, San Francisco, 1996.
[12] Vargas, M. “Nuevo Modelo Integral Del Canal De La Descarga Eléctrica Atmosférica Y Su Enlace Con Estructuras En Tierra” Tesis Doctoral. Universidad Nacional de Colombia. Bogotá, Colombia. 2006.
[13] Horváth, T. “Standardization of Lightning Protection Based on the Physics or on the Tradition? “ 26th ICLP. Cracow, Poland. pp. 791-796. 2002.
[14] Horváth, T. “Comparative Study on the Interception Concepts” 24th ICLP. Birmingham, UK. pp. 371-376. 1998.
…
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