ANÁLISIS DEL APANTALLAMIENTO DE DESCARGAS …
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IEL1-II-04-01 IEL1-II-04-08 i 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
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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
IEL1-II-04-01
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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
Depart
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UNIVERSIDAD DE LOS ANDES
Facultad de Ingeniería
amento de Ingeniería Eléctrica y Electrónica
Bogotá, D.C.
Diciembre, 2004
usuario
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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).
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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.
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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.
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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
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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
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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
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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
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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
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LISTA DE ECUACIONES Ecuación 1. Caracterización de la corriente para una fuente de rayo [18]. ...............................49
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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• 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.
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• 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:
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• 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
origen
Carga líder
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.
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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
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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.
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• 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.
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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 Se presenta como cátodos delgados con corrientes positivas en las
nubes, se presenta pocas veces.
4b
Tierra Negativa Inicialmente es como en 4a, después de 4,25ms se presenta una descarga
positiva a la tierra, especialmente montañas.
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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:
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• 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.
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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
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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.
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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
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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.
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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
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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.
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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.
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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
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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.
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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.
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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.
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TABLA III. VALORES DEL INDICE RELACIONADO CON EL USO DE LA ESTRUCTURA [8]
Clasificación de
estructuras
Uso de la estructura Valor índice
Teatros, colegios, escuelas, iglesias,
supermercados, centros comerciales, áreas
deportivas, hospitales, prisiones, ancianatos,
jardines infantiles, guarderías, hoteles.
40
Oficinas y vivienda de tipo urbano y rural. 30
Estructuras de uso común
Banco, compañías aseguradoras, industriales,
museos, bibliotecas, sitios históricos y
arqueológicos.
20
Estructuras utilizadas para la
presentación de servicios
públicos.
Estructuras de comunicaciones, instalaciones
para acueducto.
10
TABLA IV. VALORES DEL INDICE RELACIONADO
CON EL TIPO DE LA ESTRUCTURA [8].
Tipo de
Estructura
Valor del
índice
No metálica 40
Mixta 20
Metálica 0
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
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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.
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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:
65,0*41,9 Irs
= para I < 30 kA.
30*2 += Irs 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.
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40
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].
Calibre del conductor de acuerdo con
el material de este Altura de la
estructura
Número de
bajantes 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.
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41
TABLA VII SEPARACION MEDIA DE LAS
BAJANTES EN FUNCION DEL NIVEL DE PROTECCIÓN [16].
NIVEL DE
PROTECCION
DISTANCIA
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.
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42
• 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.
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43
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.
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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.
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45
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.
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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.
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3.8 Guía de Seguridad Personal
El objetivo más importante de un sistema de protección contra descargas atmosféricas
es el cuidado de la vida humana, por esta razón la metodología debe plantear una
serie de recomendaciones para la adecuada protección y seguridad personal, tales
recomendaciones se enuncian a continuación:
• Si una persona está al aire libre durante una tormenta eléctrica tiene mayor
probabilidad de ser alcanzada por un rayo, por esto es recomendable
protegerse manteniéndose dentro de: contenedores totalmente metálicos,
refugios subterráneos, automóviles y otros vehículos cerrados con carrocería
metálica, viviendas y edificaciones con sistema adecuado de protección contra
descargas atmosféricas8.
• Si se encuentra aislado en una zona donde se esta presentando la tormenta es
recomendable: no acostarse en el suelo, juntar los pies, no escampar en un
árbol solitario, no colocar las manos sobre el suelo, colocar las manos sobre las
rodillas, adoptar posición de cuclillas8.
• Cuando este en una tormenta eléctrica manténgase alejado de los siguientes
sitios: terrenos deportivos y campo abierto, piscinas, playas y lagos, lugares
cercanos a líneas de transmisión, cables aéreos, vías de ferrocarril, tendederos
de ropa, cercas ganaderas, mallas eslabonadas, vallas metálicas, árboles
solitarios, torres metálicas de comunicaciones, líneas de alta tensión etc8.
• Si se encuentra dentro del edifico durante una tormenta eléctrica tenga
presente no tocar las estructuras metálicas del edificio, evite la utilización de
aparatos eléctricos o electrónicos y telefónicos.
• Como en un edificio inteligente se tiene sistemas automatizados, durante una
tormenta eléctrica mantengamos apagados para evitar daños en estos. Por
tanto utilice los sistemas manuales mientras la tormenta se termina.
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4. Validación de la metodología.
Se ha planteado una metodología que contiene una serie de recomendaciones para el
diseño de un sistema de protección contra descargas atmosféricas. Muchas
recomendaciones se han hecho con base en las normas IEC 1024-1 y NTC 4552. En
este capitulo muestra la validación a tales recomendaciones.
4.1 Introducción
Para realizar la validación a las recomendaciones planteadas en la metodología dada
en este trabajo, se utilizó una herramienta computacional (SuperNec) que simula los
campos electromagnéticos incidentes en una estructura, cuando existe una fuente de
excitación cercana a esta.
Para validar la utilización que la herramienta SuperNec aporta a la metodología, se
trabajó en la simulación de una estructura encontrada en el trabajo dado en la
referencia18.
En este trabajo se plantea un modelo para analizar los campos inducidos en una
estructura por el efecto de un rayo directo. En un primer planteamiento del trabajo
revisado, se tiene una estructura con las siguientes dimensiones: longitud 10m,
espesor 10m y altura 20m. En el centro de esta caja se ubica un cuadrado metálico de
1mX1m con una resistencia de 50MΩ en uno de los lados del cuadro tal como se
indica en la figura 5.
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Figura 4. Simulación planteada en el trabajo de la referencia [18].
La fuente de excitación utilizada en el desarrollo de la simulación esta caracterizada
por la ecuación 1, la cual caracteriza el comportamiento de la corriente en el tiempo
en la base del canal. Los parámetros de (1) corresponden a18: imax es el pico de
corriente, η es un factor correctivo, ks = t/τ1, τ1 es la constante del tiempo de ascenso,
τ2 es la constante del tiempo de caída y n es igual a 1.
( )( )
2max
1,0 τ
η
t
n
s
n
s
se
k
kiti
−
+=
Ecuación 1. Caracterización de la corriente para una fuente de rayo [18]. Los valores de los parámetros utilizados en la simulación fueron18: imax = 50kA,
η=0.993, τ1 = 0.454 µs, τ2 = 143 µs. El comportamiento de esta ecuación esta dado en la
figura 6, este resultado se obtuvo en Matlab.
Figura 5. 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.
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En SuperNec se implemento el sistema como se muestra en la Figura 7.
Figura 6. 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.
Los resultados mostrados en el trabajo consultado18, donde la simulación se realiza
en el programa NEC2, son los dados en la figura 8a, y los resultados obtenidos en la
simulación realizada para este proyecto, utilizando la herramienta SuperNec están
dados en la Figura 7b.
Figura 7. Resultados de las simulaciones. En la Figura 7a (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.
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Analizando el resultado obtenido mediante simulación se puede evidenciar que la
gráfica obtenida en simulación presenta un comportamiento de la misma naturaleza
del comportamiento amortiguado de la referencia [18]. En la Figura 7a se observa un
retardo debido a que en frecuencias menores a 2 MHz, NEC-2 posee restricciones de
funcionamiento. En la Figura 7b muestra un tiempo de estabilización 15 µs, el cual
concuerda con el tiempo de estabilización de la Figura 7a. El valor de estado estable
para las dos gráficas es aproximadamente cero.
En un segundo planteamiento dado en el trabajo de la referencia [18] se analiza una
estructura con las siguientes dimensiones: longitud 20m, espesor 10m y altura 20m.
La estructura consta de dos pisos el primero a una altura de: 5.5m y el segundo a una
altura de 13m. Los pisos son construidos con capas de concreto reforzadas, las barras
de refuerzo tiene un radio nominal rb = 3mm y forman una malla de 80cm X 80cm.
Los pilares de las esquinas y el centro son modelados por cuatro conductores
verticales, estos se extienden desde la base hasta “el tope” del edificio y tienen un
radio nominal de 6mm. El LPS (Lightning Protección System) consiste de cuatro
conductores bajantes en cada una de las esquinas de la estructura18. En la Figura 8 se
observa esta estructura.
Figura 8. 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
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Se implementó el sistema mencionado anteriormente en SuperNec, la
implementación se realizó por pasos, se realizó la simulación sin tener en los pisos de
las mallas en los pisos de la estructura, como se ve en la Figura 9.
Figura 9. 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.
Los resultados obtenidos en estas simulaciones, se observan en la figura 11, donde se
observa la caída amortiguada del voltaje a través del tiempo, en el punto A dado en la
figura 11, en el cual se coloca una resistencia de 10 MΩ.
Figura 10 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.
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4.2 Aplicación de la metodología a un caso de estudio
Para validar las recomendaciones planteadas se realizó una serie de simulaciones en
una estructura metálica de dimensiones 20mx15mx10m, se ubicó la fuente de rayo a
2m de la estructura y la carga en el centro del volumen. La estructura a simular se
observa en la figura 12.
Figura 11 Estructura correspondiente al caso piloto.
Con el sistema piloto se realizaron simulaciones para 8 casos en los cuales se evaluó la
eficacia del sistema de bajantes, se realizaron variaciones en el número de bajantes y
en sus respectivas ubicaciones. En la tabla VIII se realiza una descripción de cada uno
de los casos simulados.
(a)
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(b)
Figura 12. 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
12a da el resultado correspondiente al caso 1 y la Figura 12b corresponde al caso 5.
En todos los casos las bajantes están conectadas entre ellas y a tierra. De los
resultados obtenidos se concluye que el mejor caso corresponde al caso 1 de la tabla 1
(Figura 12a). Es importante resaltar que aumentar el número de bajantes hace que se
reduzcan las corrientes de inducción, sin embargo se debe tener presente que la
ubicación de la bajante influye considerablemente en la atenuación, otra característica
es la atenuación que se presenta cuando se conecta la punta de captación en forma
recta con la bajante. En la Figura 12b se presenta el peor caso el cual corresponde al
caso 7 de la tabla VII.
Otro punto importante a evaluar es la conexión de una malla de alta frecuencia
cercana a la carga, por tanto se adicionó a la simulación realizada una malla de
2mx2m a 30cm de la carga, como se observa en la Figura 13.
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TABLA VIII. CASOS CON DIFERENTE UBICACIÓN DE BAJANTES
No caso No
puntas No bajantes Ubicación puntas y bajantes
1 4 4 Bajantes en la parte exterior de la estructura en las esquinas.
Puntas de captación en las cuatro esquinas.
2 4 4 Bajantes en la parte exterior de la estructura en el centro de cada lado.
Puntas de captación en las cuatro esquinas.
3 4 1 Bajante en el interior de la estructura, en el centro del volumen.
Puntas de captación en las cuatro esquinas.
4 4 1 Bajante en la parte exterior de la estructura en el centro de un lado.
Puntas de captación en las cuatro esquinas.
5 4 1 Bajante en la parte exterior de la estructura en una esquina.
Puntas de captación en las cuatro esquinas.
6 1 1 Bajante en la parte exterior de la estructura en el centro de un lado.
Punta de captación en una de las esquinas
7 1 1 Bajante en la parte interior de la estructura, en el centro del volumen.
Puntas de captación en el centro de la estructura.
8 1 1 Bajante en la parte exterior de la estructura en una de las esquinas.
Puntas de captación en el centro de la estructura.
Figura 13. Estructura con malla de alta frecuencia (en rojo).
Se simularon cuatro casos, como se indica en la tablaIX.
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TABLA IX Casos de malla de alta frecuencia
No caso Malla alta
frecuencia
Carga de prueba
1 Sin conexión a tierra Sin conexión a
tierra
2 Conectada a tierra Sin conexión
3 Conectada a tierra Conectada a tierra
4 Sin conexión Conectada a tierra
Los resultados de las simulaciones llevan a la conclusión de que una malla de alta
frecuencia cercana a la carga atenúa en gran medida los efectos de inducción. Sin
embargo, la malla debe estar debidamente conectada a tierra para obtener buenos
resultados, el mejor resultado encontrado en las simulaciones fue el caso 3 de la tabla
9, en el cual malla y carga están interconectadas y están conectadas a tierra. Este
resultado se observa en la Figura 14.
Figura 14. 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.
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4.3 Aplicación de la metodología a un caso real
Figura 15. 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).
Se realizaron simulaciones para la estructura del edificio del DTI con el fin de
comprobar la eficacia del sistema de protección contra rayos instalado en el edificio.
En la primera simulación se modeló la estructura del edificio como una estructura
metálica sin sistema de protección, tal como se muestra en la Figura 15 En esta
simulación se dispuso una fuente de rayo a un 1m de distancia sobre el mismo plano
de la azotea del edificio. Como carga se modeló un bucle en el centro de masa de la
estructura. Las dimensiones del bucle son 1mx1m y en uno de sus segmentos se
colocó una carga resistiva de 50MΩ.
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Figura 16 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.
En la Figura 16 se puede observar el comportamiento de los voltajes inducidos en la
carga para una simulación realizada sin la implementación del sistema de protección.
Es claro que este tipo de voltajes inducidos pueden causar sobretensiones peligrosas
para la vida humana y afectar el funcionamiento de equipos sensibles. En la Figura 17
se muestra el edificio con el sistema de protección contra rayos (puntas de captación,
bajantes, sistema de puesta a tierra) que se encuentra instalado en el edificio.
Figura 17. 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.
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Al tener en consideración en la simulación el sistema de protección contra rayos, se
encontró que se generan menores magnitudes del voltaje inducido y que hay un
amortiguamiento mayor. Lo anterior se puede observar en la Figura 18.
Figura 18 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.
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5. Herramienta computacional.
Una parte esencial del desarrollo de este proyecto de grado es poder proveer de una
herramienta computacional que permita aplicar la metodología a nivel industrial y
comercial. Es por esto que desarrolló un programa para el entorno Windows que
permite realizar los cálculos y obtener recomendaciones en una interfase que facilité
el proceso de diseño del sistema de puesta a tierra. En este capítulo se describe el
proceso de programación de esta herramienta.
5.1. Introducción.
Finalizada la etapa de planteamiento y validación de la metodología es preciso
proveer de medios que permitan un acceso y la posibilidad de utilización en
proyectos de diseño de edificios inteligentes. Se consideró la posibilidad de
desarrollar una herramienta computacional en el entorno de Windows. Este
programa obtener una serie de recomendaciones basado en los datos estructurales y
meteorológicos del edificio a proteger.
5.2. Modelaje.
Para el modelaje del programa a desarrollar se tuvo en cuenta los parámetros
principales que se utilizaron en el desarrollo de la metodología. Estos se clasifican en
tres tipos de parámetros:
- Parámetros del rayo: Se tienen en cuenta parámetros tales como la corriente
máxima.
- Parámetros de la estructura: Se consideran parámetros como la altura, el área,
el uso de la estructura y el tipo de estructura.
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- Parámetros meteorológicos: Se consideran parámetros como la altitud, la
latitud y el nivel ceraúnico.
-
Como salidas para el usuario se generan una serie recomendaciones para apoyar el
proceso de diseño del sistema de protección contra rayos, también generar una serie
de medidas para el sistema de acuerdo con los consignado en la metodología y el
normas nacionales e internacionales. En la Figura 19 se muestra el diagrama de caja
negra del sistema modelado anteriormente.
Figura 19 Diagrama de caja negra del programa desarrollado.
5.3 Diagrama de flujo del programa.
En este diagrama se explica la forma en que el programa genera recomendaciones
basadas en las normas internacionales y en la metodología propuesta. Están dividas
en recomendaciones para el sistema de protección externa, recomendaciones para el
sistema de protección interna y guía de seguridad de personal. La interfase dispone
de un comando generar un reporte completo sobre las recomendaciones sugeridas.
En Figura 20 se muestra el diagrama de flujo.
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Figura 20 Diagrama de flujo del programa
5.4 Interfase del programa.
La interfase permite de una forma intuitiva generar las recomendaciones
anteriormente mencionada. Accediendo desde el entorno Windows se puede
observar el menú principal que ofrece acceso a las opciones nuevo caso y guardar
caso. Al establecerse un nuevo el programa indaga sobre la información de la
estructura la cual se desea proteger. Desde esta ventana de información básica se
puede acceder a las recomendaciones de los tres niveles de protección. En la opción
“protecciones externas” se pueden realizar cálculos del sistema de captación, sistema
de bajantes y puesta a tierra. En la opción “protecciones internas” se generan
recomendaciones sobre las protecciones primarias y secundarias. Por último en la
opción “Guía de seguridad de personal” se puede observar un cuadro con las
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recomendaciones más importantes para personas que habiten o laboren en una
estructura comercial o residencial.
5.4. Manual del usuario.
5.4.1. Inicio del programa: Para activar el programa es necesario hacer clic en el icono
del archivo ejecutable PPRDI.EXE. Este archivo debe encontrarse junto con el resto de
archivos disponibles en la distribución del programa.
5.4.2. Menú principal: En este menú se tiene acceso a las opciones nuevo, abrir caso,
que permiten ejercer un control sobre la información almacenada después de una
sesión de trabajo y también es posible establecer un nuevo caso. En la Figura 21 se
puede observar el menú principal.
Figura 21 Menú principal del programa.
5.4.3. Nuevo Caso: En esta ventana se puede acceder la información básica de la
estructura así como la información sobre los parámetros metereológicos de la zona en
la cual se encuentra edificada. Es necesario introducir todos los campos ya que los
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datos metereológicos son luego utilizados para calcular el sistema de protecciones
externo. En la Figura 22 se muestra la ventana de nuevo caso.
Figura 22 Ventana de nuevo caso.
5.4.4. Recomendaciones para protecciones externas: En la Figura 23 se puede
observar la ventana de recomendaciones externas. Esta está dividida en tres partes
esenciales: cálculos para el sistema de captación, cálculos y recomendaciones para el
sistema de bajantes y cálculos para el sistema de puesta a tierra. Los cálculos y las
recomendaciones aquí generadas están basadas en las normas consultadas y el trabajo
de verificación y simulación realizado. Para mayor información sobre los parámetros
aquí utilizados se recomienda consultar las referencias NTC E IEC.
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Figura 23 Ventana de protecciones externas.
5.4.5. Recomendaciones para protecciones internas: Para el dimensionamiento de las
protecciones internas se accede a la ventana y en está se deben marcar las condiciones
que se tengan en la estructura a analizar. En el cuadro de la parte inferior se pueden
observarlas recomendaciones oprimir el botón “generar recomendaciones”. En Figura
24 se puede observar el cuadro de protecciones internas.
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Figura 24 Ventana de protecciones internas
5.4.6. Guía de seguridad de personal: En la ventana que se observa la Figura 25 se
tiene una cartilla de recomendaciones para proteger la vida humana en caso de un
episodio de tormenta en una edificación.
Figura 25 Guia de Seguridad Personal
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6. Conclusiones y recomendaciones
La investigación del estado del arte del tema así como el análisis de las normas
nacionales e internacionales relacionadas con los aspectos de protección contra
descargas electromagnéticas, permitió observar que es un tema de actualidad
mundial y que estas normas no tratan con la profundidad necesaria los problemas de
compatibilidad electromagnética originados por descargas atmosféricas.
La metodología propuesta así como la herramienta computacional permiten
establecer los niveles de inducción para diferentes tipos de bajantes y por lo tanto
establecer estrategias o esquemas de protección, tales como el aumento de número
de bajantes y el uso de bajantes con un mínimo número de quiebres para disminuir la
inducción a las cargas y a la estructura del edificio.
La cercanía de una bajante a una carga puede afectar considerablemente el
funcionamiento de esta. Mediante simulación se pudo constatar que alejando una
carga o en su defecto la bajante se puede disminuir considerablemente los efectos de
inducción producidos por la bajante.
Otro de los casos simulados es la instalación de una malla de alta frecuencia cercana a
la carga de prueba. Para este caso se obtuvo que la inducción de reduce
considerablemente y se pudo comprobar que el no tener una malla de alta frecuencia
puede afectar considerablemente el desempeño de una carga. En el caso de un
edificio inteligente lo anterior es crítico debido a los desarrollos tecnológicos que son
utilizados en estos edificios.
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El tipo de cargas a proteger en un edificio inteligente requiere el desarrollo de
técnicas y herramientas de análisis que abarquen los efectos del comportamiento
eléctrico y electromagnético del fenómeno de la descarga sobre este tipo de
estructuras. Estudios como el realizado en este proyecto fortalecen las bases para el
diseño de este tipo de proyectos.
La flexibilización del proceso de diseño de un edificio mediante herramientas
computacionales permite mejores estándares de seguridad y protección de las vidas
humanas y de los equipos que se encuentren en el. Es de resaltar que este tipo de
herramientas son un apoyo para la comunicación entre los arquitectos e ingenieros
que intervienen en el proceso de dimensionamiento de una estructura.
El estudio de apantallamiento realizado fue planteado como una visión general del
problema. A futuro se propone realizar proyectos que tengan una visión específica
que permitan el análisis de casos concretos como la ubicación adecuada de las cargas
determinadas (ej. Computador, fax), el tamaño de las bajantes, el área del enmallado
mediante SuperNec.
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7. Referencias
[1] Super Nec. Copyright 2004 Poynting Software Ltd. [2]http://www.lpi.tel.uva.es [3] http://www.atmosfera.cl [4] Enciclopedia electrónica Microsoft Encarta. [5] Zipse D.W, “Ligthing Protection System: Advantages and Disadvantages”, IEEE Transaction on Industry Aplication, Vol 30, No5, September/October 1994. [6] Norma Técnica Colombiana NTC 5000 [7]www.lpi.tel.uva.es/~nacho/docencia/EMC/trabajos_02_03/Proteccion_contra_descargas_atmosferica [8] Norma Técnica Colombiana NTC 4552 [9] http://www.ing.unlp.edu.ar/sispot/libros/ie-temas/ [10] Seminario Universidad Nacional, Francisco Román, Octubre 2004. [11] Baker G, Castillo J.P, Vance E.F, Potencial for a Unified Topological Approach to Electromagnetic Effects Protection, “IEEE Transactions Electromagnetic Compatibility” Vol 34 No 3 August 1992. [12] http://www.coggan.com/buildingintelligence.html#article [13] http://www.coggan.com/aboutintelligentbuildings.html#article [14] Seminario Universidad Nacional, Arosha Chandima Gomes, Octubre 2004. [15] http://paas.unal.edu.co [16 ]Norma Internacional IEC 1024-1 [17] Grounding and bonding. [18 ] Orlando Antoni, Lightning Induced Transient Voltages in Presence of Complex Structures and Nonlinear Loads , “IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility” Vol 38, No 2, May 1996.
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ANEXOS Disco con herramienta computacional.
