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~~~
.CONTEe
NORMA TECNICA
COLOMBIANA
NTC
4552-1
2008-11-26
PROTECCION CONTRA DESCARGAS ELECTRICAS
ATMOSFERICAS (RAVOS).
PARTE 1: PRINCIPIOS GENERALES
E: PROTECTION AGAINST LIGHTNING. PART 1: GENERALPRINCIPLES
CORRESPONDENCIA: esta norma es modificada (MOD) dela norma IEC 62305-12006.
DESCRIPTORES: descarga electrica atrnosferica,protsccion contra rayo, nivel deproteccion contra rayo, zona deproteccion contra rayo.
I.C.S.: 91.120.40
Editada por el lnsf ituto Colombia no de Normas Tecnicas y Certificac.on (ICONTEC)Apartado 14237 Bogota, D.C. - Tel. (571) 6078888 - Fax (571) 2221435
Prohibida su reproducci6n Editada 2008-12-10
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© ICONTEC 20D8
Reservados todos los oerechos, Ninguna parte de esta publlcaclon
puede ser reproducida 0 utifizada en cualquiar forma 0 por cualquier
medio, elsctrornco 0 mecanico incluyendo fotocopiado y rnlcrofllmacion,
s in perrn iso porescri to del edi to r.
Inst it uto Colombiano d~ Normas Tecnicas y Certiflcacion, ICONTEe
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PROLOGO
EI Instituto Golombiano de Normas Tecnicas y Certiflcacion, ICONTEC, es el organismo
nacional de normalizacion, sequn el Decreto 2269 de 1993.
ICONTEe es una entidad de caracter privado, sin animo de lucro, cuya Mision es fundamental
para brindar soporte y desarrollo al productor y proteccion all consumidor. Colabora con el
sector gubernamental y apaya al sector privado del pais, para lograr ventajas competitivas en
los mercados interne y externo.
COMISION REG DE ENERGIA
YGAS
CONSULTORiA CO SlANA SA
EMPRESA UNIPERSONAL CARLOS A.
ACOSTA S.
EMPRESAS PU'BLI'CAS DE MEDELLIN ESP
HIDROCOL
La representaeion de
esta garantizada
caracterizado por
5 los sectores involucrados en el p
mites Tecnicos y el periodo d.:::.Ml'lrIr",
del publico en general.
so de Normalizaci6n Tecnica
Ita Publica, este ultimo
La NTC 4552-1
jeto de que responda en
A continuacion
traves de su pa '
atmosfericas.
1 0 de esta norma a
rotlec(;i~~f'i*K1tra descargas electncas
DEMO INGENIE
ECOPETROL
ELECTRO POL
GENELEC
IEB INGENIERfA
INGETESA
a consideraci6n de las
INEL
I
SEGURI
SIEMENS
UNIVERSIDAD DE ANTIOQUIA
UNIVERSIDAD DEL NORTE
UNIVERSIDAD DEL VALLE
"F"'\......I~.,..F"'\L DE INGENIERiA
LECTRICA LTDA.
ICONT!EC cuenta con un Centro de Informacion que pone a disposicion de los interesadosnormas internaCionales, regionales y nacionales y otros documentos relacionados.
DIRECCION DE NORMALIZACION
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NORMA TECNICA COLOMBIANA NTC 4552-1:
CONTENIDO
Pagina
INTRODUCCION
1 . ALCANCE . • • • • • • • • • • • • • • • • • • • . . • • • • • • . • • • • • . • • • , • . • • • • 1 ,
2 . . .,. ' 1
3 . TERMI'
4 .
5 .
5.1
5 . 2
5 . 3
6 ,. CONVENIENCIAS ECONOJIIIIIC:A5
NTRA RAYO .,..
6.2 CONVENIENCIAS ECONOMICAS DE LA PROTECCION CONTRA RAYO 14
7. MEDIDAS DE PROTECCION " " 14
7.1 MEDIDAS DE PROTECCION PARA REDUCIR LESIONES EN SERESVIVOS CAUSADAS POR TENSIONES DE PASO Y CONTACTO 14
7.2 MEDIDAS DE PROTECCION PARA REDUCIR DANOS FislCOS , , 1'5
7.3 MEDIDAS DE PROTECCION PARA REDUCIR FALLAS EN SISTEMAS
ELECTRICOS Y ELECTRONICOS " 15
7.4 SELECCION DE MEDI'DAS DE PROTECCION 16
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8. CRITERIOS sAslCOS PARA LA PROTECCION DE ESTRUCTURAS Y
ACOMETIDAS 16
8.1 NIVELES DE PROTECCION CONTRA RAYO (NPR) 16
8.2 ZONAS DE PROTECCION CONTRA RAVO (ZPR) 18
8.3 PROTECCION DE ESTRUCTURAS 19
8.4 PROTECCION DE ACOMETIDAS 22
BIBLIOGRAFiA 70
FIGURAS
Figura 1. Tipo de perdidas como resultado de diferentes tipos de dano 14
Figura 2. Zonas de proteccicn contra rayos ZPR definidas para
un SIPRA (NTC 4552-3) 19
Figura 3. Zonas de proteccion contra rayos ZPR definidas para medidas de
protecclon contra IER 20
TAB LAS
Tabla 1. Efecto de los rayos sobre estructuras tipicas 8
Tabla 2. Efectos del rayo en acometidas tipicas 10
Tabla 3. Danos y perdidas en una estructura de acuerdo con diferentes puntos de
impacto 12
Tabla 4. Danos y perdldas en la acometida de servicio de acuerdo con diferentes
puntos de impacto de rayo 13
Tabla 5. Valores maximos de parametres del rayo de acuerdo con el NPR 17
Tabla 6. Valores minimos de parametres del rayo relativos al radio de la esfera
rodante correspondiente a cada NPR 18
Tabla 7. Probabilidades para los limites de los parametres del rayo 18
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Pagina
ANEXOS
ANEXO A (Informativo)PARAMETROS DEL RAYO 23
ANEXO D (IPARAMETROSSOBRE COMPO
ANEXO B (Informativo)FUNCIONES DEEN EL DOMINIO
DEANAuSIS................................. 38
DE PRUEBA ..41
S RAYOS
..:t-"!".!c~"i"''''''''''''''''''''''........45
ANEXO E (Inform-"""'"SOBRETENSIO BIDi)(eiJtj_iM,ol;tE,IA)rQDE LA INSTAL""'''''¥ft·.~.
[lJf!I!BENTES PUNTOS.I~*'!": j~~-i 60
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NORMA TECNICA COLOMBIANA NTC 4552-1
INTRODUCCION
Las descargas electricas atmosfericas 0 rayos son un fen6meno natural que varia con el espaCio
y con el tiernpo y no existen aetualmente dispositivos tecnol6gicos ni rnetodos capaces de
evitarlos, pero si de prevenirlos. Los rayos que irnpactan en las estructuras, las acometidas de
servicios domiciliarios (energia, acueducto, telecomunieaciones) 0 cerea del suelo, son peligrosos
para las personas, para los hogares, afectando su contenido e instalaciones. Por 1 0 tanto debe
ser eonsideradala de medidas de protecci6n contra
Un tercer grupo
prestaci6n de se
telecomunicaci6n)
selecci6n de las
manejo del r iesgo
ventajas econ6micas de i
parala proteccion S8
ejo de riesgo se expresa en
n de la proteccion y la
"t"'"n"1in..,r en tsrminos del
das de protecci6n contra
Un primer grupo
de los seres vivie
~1a~&llas fallas en los sistemas
45:52 ..4JiDtlr publicar).
anos fisicos y fallas en la
eSI)i;fCl_ia\(i~laj.aitnet'tel electricos y las lineas de
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PROTECCION CONTRA DESCARGAS
ELECTRICAS ATMOSFERICAS (RAYOS).PARTE 1: PRINCIPIOS GENERALES
1. ALCANCE
Esta norma presenta los principios generales que deben seguirse en la proteccion contra rayos de:
Estructuras, incluyendo sus instalaciones y contenidos, asi como a las personas.
Servicios que entran a la estructura
Los siguientes casos estan fuera del objeto de esta norma:
Sistemas de trenes electricos:
Vehiculos, barcos, aeronaves, instalaciones en mar abierto;
Tuberias subterraneas de alta presion;
Redes de tuberias, energia y telecomunicaciones no conectadas a la estructura.
2. REFERENCIAS NORMATIVAS
Los siguientes documentos normativos fueron tenidos en cuenta en la elaboracion de la presente
norma. Se recomienda aplicar las ediciones mas recientes de los documentos normativos
indicados a continuaci6n. Los miembros de ICONTEC, la IEC y de la ISO mantienen registros de
las normas internacionales actual mente validas.
NTC 2050: 1998, C6digo Electrico Colombiano.
IEC 60364, (All Parts) Electrical Installations of Buildings.
IEC 60479, (All Parts) Effects of Current on Human Beings and Livestock
IEC 61643-1:2005, Low-voltage Surge Protective Devices Part l' Surge Protective Devices
Connected to Low-voltage Power Distribution Systems. Requirements and Tests.
IEC 61643-12:2002, Low-voltage Surge Protective Devices. Part 12: Surge Protective Devices
Connected to Low-voltage Power Distribution Systems. Selection and Application Principles.
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IEC 62305, (All Paris) Protection Against Lightning.
IEEE C.62A 1,.1:2002, Guide on the Surge Environment in Low- Voltage (1 000 V And Less)
AC Power Circuits.
IE.EE C.62A 1.2:2002, Recommended Practice on Characterization of Surges in Low-voltage
(1 000 V and Less) AC Power Circuits.
IEEE C.62.45:2002, Recommended Practice on Surge Testing For Equipment Connected to Low-
voltage (1000 V and Less) AC Power Circuits
3. TERMINOS Y DEFINICIONES
Para prcposito de esta a, se aplican las siguientes defini
3.1 Acometida
estruetura para la
(Service to becei6n contra los efectos
etida coneetada a una
3.2 Apantallamencierran el
electr6nicos.
metalicos quesistemas electricos y
corriente de rayo para la
Integral en el tiempo
3.6 Conductor blll_Ktb (Shielding Wire).~MCkJCtor~~.IIiGQ>~l[a1t.ID1bre) usado para reducirdanos flsicos en a as, causados por el
3.7 Conexi6n ectltllP~ncial de rayo ( Conexiones al
SIPRA de piezas separadas por conexiones cG[lQuctOlras ....rectas 0 por disposit ivos de
protecci6n contra (OPS), empleadas diferencias de potencialcausadas por t"t"If'rl",nt'l'llfll
3.8 Corriente de rayo (i) (Lightning Current). Corriente que fluye en el punto de impacto.
3.9 Dano fisico (Physical Damage). Dario a la estructura 0 al contenido de la misma debido a
efeetos mecanicos, terrnicos, quimicos y explosivos del rayo.
3.10 Descarga (Lightning Stroke). Oescarga electrfca atrnosferica simple a tierra.
3.11 Descarga ascendente (Upward Flash). Rayo iniciado por un lider ascendente desdeuna
estructura conectada a tierra hacia una nube ..Una descarga ascendente consiste de una primera
descarga larga con 0 sin multiples descargas cortas sobrepuestas. Una 0 mas descargas cortas
pueden ser seguidas par una descarga larga.
3 . 112 Oescarga corta (Short Stroke). Parte del rayo que corresponde a un impulse de corriente.
Esta corriente tiene un tiempa media T2 comunrnente menor a 2 rns, (vease la Figura A.1).
2
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3.13 Descarga descendente (Downward Flash). Rayo iniciado por un Iider descendente de
nube a tierra. La descarga descendente consiste en una primera descarga corta (Shott Stroke),
que puede estar seguida por otras descargas cortas subsecuentes. Una 0 mas descargas cortas
pueden estar seguidas por una descarga larga (Long Stroke).
3.14 Descarga larga (Long Stroke). Parte del rayo que corresponde a una corriente continua. EI
tiempo de duracion Tlargo(tiempo del 10 % del valor en el frente al 10 % del valor en la cola) deest a corriente continua, es tipicamente mayor de 2 ms y men or de 1 s (vease la Figura A2).
3.15 Descarga nube tierra (Lightning Flash to Earth). Rayo de origen atrnosferico entre nube y
tierra que consiste en una 0mas descargas (Strokes).
3.1G Dispositivo de proteccicn contra sobretensiones DPS (Surge Protective Device SPD).
Dispositivo que limita intencionalmente las sobretensiones transitorias y dispersa las
sobrecorrientes transitorias. Contiene por 1 0 menos un componente no lineal
3.17 Dispositivo de protecclon contra sobretensiones transitorias del tipo conmutaci6n de
tension. Un DPS que tiene una alta impedancia cuando no esta presente un transitorio, pero que
cambia subitamente su impedancia a un valor bajo en respuesta a un transitorio de tension.
Ejemplos de estos dispositivos son: Los via de chispa, tubos de gas, entre otros.
3.18 Dispositivo de proteccion contra sobretensiones transitorias del tipo Iimitacion de la
tensi6n. Un DPS que tiene una alta impedancia cuando no esta presente un transitorio, pera que
se reduce gradualmente con el incremento de la eorriente y la tension transitoria. Ejemplos de
estos disposit ivos son: varistores, diodos de supresion, entre otros.
3.19 Duraci6n de corriente de descarga larga ( 1 I " r g , , ) (Duration of Long Stroke Current)
Tiempo que dura 1 0 3 descarga larga (vease la Figura A.2).
3.20 Duraci6n del rayo (1') (Flash Duration). Tiempo durante el eual la corriente del rayo fluye
en el punto de irnpacto.
3.21 Energia especifica de la corriente de descarga corta (Specific Energy of Short StrokeCurrent). Integral en el tiempo del cuadrado de la corriente de rayo para una desearga corta.
NOTA La energia especifica de unadescarga corta es insignificante.
3.22 Energia especifica del rayo (W/R)(Specific Energy). Representa la energia disipada par
la corriente de rayo en una resistencia unitaria y se obtiene mediante la integral en el tiempo del
cuadrado de la corriente de rayo para la duracion completa del misma.
3.23 Estructura a ser protegida (Structure to be Protected) Estruetura para la cual se requiere
protaccion contra efeetos del rayo.
NOTA Una estructura protegida puede ser parte de una estructura mas grande
3.24 Falla del sistema electrico y electronlco (Failure of Electrical and Electronic System)
Danos permanentes del sistema electrico y electronico por causa de efectos electrornaqneticos
del rayo.
3.25 Impedancia a tierra convencional (Convencional Earthing Impedance). Relacion de los
valores pico de la tension y corriente de puesta a tierra que, en general, no se producen
sirnultaneamente.
3
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3.26 Impulso electromaqnetico del rayo IER (Lightning Electromagnetic Impulse LEMP)
Campo electrornaqnetico generado por la corriente del rayo, capaz de generar interferencia
electrornaqnetica
NOTA La interferencia electrornaqnetica incluye sobretensiones conducidas al equipo del sistema electrlcc yelectr6nico as! como efectas directos del campo rnaqnetico sabre el equipo rnisrno.
3.27 Lesiones a seres vivos (Injuries of Living Beings). Perdidas de facultades fisicas,biol6gicas, psiquicas, incluida la vida, de personas 0 animales debidas a tensiones de paso 0 de
contacto causados por el rayo.
3.28 Maxima tension de operacion continua (Maximum Continuous Operating Voltage).
Maxima tension c.a. 0 c.c. que puede ser aplicada continuamente a un DPS en cualquier modo
de proteccion. Es igual a la maxima tensi6n nominal del dispositivo.
3.29 Medidas de p
proteger can el fin
(Protection Measures). Medidasja ser adoptadas en el objeto a
riesgo debido a rayos.
3.30 Multiplici
caso de la regi6n
intervalo ti pico dehasta 16 desca
Nurnero de descargas
plicidad presenta un
aproximadamente 50a 250 rns).
ponen un rayo. Para eJ
entre 1 y 2, con un
reportado eventos de
3.31 Nivel de p
relacionado con
probabilidad que
excedidos cuando .... lnle'.'~!JfflQi ..
Level LPL). Numero
rayo, pertinentes a la
valores que no seran
NOTA
3.33 Objeto aprotegida contra I
de servicio a ser
3.340rigen
Current). Punto d
90 % de los puntas
corriente de descarga cotltf,(Ci.f)~.wVII.1!origen of Shott Stroke
in1'IIn~j:>("ri6nde una linea recta con I , la cual une el 10 % y el
ft:IIIiCi-.:,n,..i<:o sabre la entrada de la corriente (vease la Figura A 1).
conductoras (External Conductive Extensiones de partes
rnetalicas que ingresan 0 salen de la estructura a proteger, par ejemplo tuberias, cables
rnetalicos, ductos rnetalicos, entre otros, que pueden lIevar corrientes parciales de rayo.
3.36 Pendiente promedio de la corriente de descarga corta (Average Steepness of the
Short Stroke Curren.t). Rata promedio de variaci6n de la corriente de descarga dentro de un
intervalo de tiempo 1 2 - fl. Es expresada por la diferencia i(!2 ) - i(t,) de Ios valores de corriente en el
comienzo y en el final de este intervalo, dividido por el intervale de tiempo 12 - t, (veasela
Figura A1).
3.37 Protecci6n con DPS coordinados (Coordinated SPD Protection). Conjunto de DPS
seleccionados apropiadamente, coordinados e instalados para reducir las fallas en los sistemas
electricos y electr6nicos
4
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3.38 Punto de impa.cto (Point of Strike). Punto donde una descarga toca tierra 0 un objeto
elevado (ejemplo: estructuras, sistemas de protecci6n contra rayos, acometidas, arboles, entre
otros).
NOTA Una descarga puede tener mas de un punto de irnpacto.
3.39 Rayo (Lightning): La descarga electrica atmosferica 0 mas cornunmente conocida como
rayo, es un fen6meno ffsico que se caracteriza por una transferencia de carga electrica de una
nube hacia la tierra, de la tierra hacia la nube, entre dos nubes, al interior de una nube 0 de la
nube hacia la ion6sfera.
3.40 Rayo cercano a un objeto (Lightning Flash Near to an Object). Rayo que impacta en la
vecindad de un objeto protegido, capaz de dariar el sistema electrico 0 electr6nico.
3.41 Rayo en un objeto (Lightning Flash to an Object). Rayo que impacta a un objeto a ser
protegido
3.42 Riesgo (Risk) (R). Valor probabilistico relativo a una perdida anual (seres humanos y
bienes), causada par el raya y relativas al valor del objeto a proteger.
3.43 Riesgo tolerable (RT) (Tolerable Risk). Valor maximo del riesgo que se puede tolerar
para el objeto a proteger.
3.44 Transitorio (Surge). Onda transiente causado por un IER que aparece como
sobretension y/ o sobrecorriente
NOTA Los transitorios causados par un IER pueden presentarse por corrientes de rayo (parciales), por lazesinductivos y por los efectos remanentes (tension ylo corriente) que deja pasar el DPS
3.45 Servicios a proteger (Services to be Protected). Servicios incorporados a una estructura
para la cual se requiere protecci6n contra los efectos del rayo.
NOTA Las acometidas electricas y de telecomunicaciones, son las mas afectadas por el rayo.
3.46 Sistema de captacion (Air Terminal System). Parte de un SIPRA, compuesto de
elementos metalicos tales como bayonetas, conductores de acoplamiento 0cables colgantes que
interceptan intencionalmente el rayo.
3.47 Sistema de conductores bajantes (Down Conductors System). Parte de un SIPRA que
conduce intencionalmente la corriente del rayo desde el sistema de captacion al sistema de
puesta a tierra
3.48 Sistema de medidas de proteccion contra IER (LEMP Protection Measures System).
Conjunto de medidas de protecci6n contra IER para sistemas internos.
3.49 Sistema de protecclon contra sobretensiones (Surge Protection Devices System).
Conjunto de DPS seleccionados, coordinados e instalados correctamente para reducir fallas desistemas electricos, electronicos y de telecomunicaciones.
3.50 Sistema de protscclon externa (External Lightning Protection System). Parte del
SIPRA que consiste en un sistema de puntas de captacion, un sistema de conductor bajante y
un sistema de puesta a tierra.
NOTA Generalmente estos elementos estan instalados externamente a la estructura.
5
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NORMA TECN,ICA COLOMBIANA NTC 4552~1
3.51 Sistema. de protecclon intema (Internal Ughtning Protection System). Parte de un
SIPRA que consiste en una conexi6n equipotencial de rayo y acorde con la distancia de
separaeion dentro de la estructura proteqida.
3.52 Sistema de puesta. a tierra. (Earth Termination System). Parte de un SIPRA que conduce
y dispersaintencionalmente la corriente de rayo en tierra.
3.53 Sistema electrico (Electrical System). Sistema que incluye componentes de suministro
electrico de baja tensi6n y posiblemente eomponentes electronicos.
3.54 Sistema elactronlcc (Electronic System)..Sistema queinciuye eomponentes electr6nieos
sensibles tales como equipos de cornunicacicn, computadores, instrumentos de control e
instrumentaci6n, sistemas de rad'io,instalaciones electr6nicas de potencia.
3.55 Sistema integral
Sistema integral
nroteccion contra rayo SIPRA (
ucir los dartos ffsicos que
puede considerar la medida
causado porlas descarga
de protecci6n
iNl'.ltnj:nN Protection System LPS).
causados por el rayo a un
para proteger las
atmosferlcas. Este
interna y medidas deistema usual
seguridad y
3.56 Sistema
estructura.
dentro de una
Iia se presenta entre una
a una distancia de un
::W-.:PJ,IlII~t: alcanzar al extender un
puntos de la supe~:JftCIe
un metro).
liC(iH6em]~r':~N.(&:l~_1~la se presenta entre dos
~fdOs'riOr"'dFdi diS'tiWftidtt·~uf)..paso (aproximadamente
3.59 Tension
Voltage)..Valor
caracteriza la rig
ted Inpulse Withstand
una parte de este, que
retensiones.
dual Voltage). Es el valor r-ur- ........ ·.. till<M,hC!'innque aparece entre los
~"'ltm'lao al paso de una corriente de ri'''''~$ITn:s;I~
3.61 Terminal de captaclon 0 dispositivo de interceptacion de rayos (Air Terminal).
Elemento rnetalico cuya funci6n es interceptar los rayos que podrian impactar directamente
sobre la instalaci6n a proteger. Comunrnente se Ie conoce como pararrayos.
3.62 Tiempo de cola (T2 ) (Time to Half Value of Short Stroke Current). Pararnetro virtual
definido como elintervalo de tiempo entre el origen virtual 01 y elinstante en que la corrienteha disminuido a la mitad del valor maximo (vease la Figura A 1),
3.63 Tiempo de frente de la corriente de descarga corta (T11)(Front Time of Short Stroke
Current (T1»' Pararnetro virtual definido como 1.25 veces el intervale de tiempo entre los
instantes en que se alcanza el 10 % Yel 90 % del valor maximo (vease la Figura A.1).
3.64 Valor pico (1) (PeakValue).Valor maximo de la corriente de rayo.
6
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3.65 Zona de protecclcn contra rayos ZPR (Lightning Protection Zone LPZ). Zona donde
esta definido el ambiente electrornaqnetico del rayo.
NOTA En la ZPR los efectos electromagnetlcos de la corriente de rayo pueden ser atenuados.
4. PARAMETROS DEL RAYO
Los parametres del rayo usados en la serie de la NTC 4552 estan reportados en el Anexo
informativo A del presente documento.
La funcion en el tiempo del rayo para propositcs de prueba esta reportada en el Anexo B
informativo del presente documento.
La informacion para la sirnulacion del rayo para propositos de prueba esta dada en el Anexo C
informativo del presente documento.
Los parametres basicos a ser usados en laboratorio para simular los efectos de los rayos en
componentes de un SIPRA estan reportados en el Anexo informativo D del presente
documento.
La informacion de sobretensiones debidas a impactos de rayos en diferentes puntos de la
instalaci6n esta dada en el Anexo E.
5. DANOS DEBIDOS A RAYOS
5.1 DANOS A ESTRUCTURAS
EI rayo que afecta a una estructura puede causar dana a la estructura misma, a sus ocupantes
y a su contenido, incluyendo fallas en sistemas internos. Los dafios y las fallas pueden
extenderse a los alrededores de la estructura, incluso pueden envolver el medio ambiente local.
La escala de esta extension depende de las caracteristicas de la estructura y de lascaracterfsticas de la descarga atrnosferica.
5.1.1 Efectos del rayo en una estructura
Las principales caracteristicas de la estructura respecto a los efectos del rayo incluyen:
Construcci6n (madera, ladrillo, concreto, concreto reforzado, construcci6n en marco de
acero).
Funci6n (vivienda, oficina, granja, teatro, hotel, escuela, hospital, museo, iglesia, prisi6n,
almacen grande, banco, fabrica, planta industrial, areas deportivas).
Ocupantes y contenido (personas y animales, presencia de materiales combustibles 0incombustibles, materiales explosivos 0 no explosivos, sistemas electricos y electronicos
con resistencia a la baja a alta tension).
Acometidas entrantes (lineas de energia, lineas de telecomunicaciones, tuberfas).
Medidas de proteccion (ej. las medidas de proteccion reducen los dartos fisicos y el
peligro de perder la vida, la proteccion reduce las fallas de sistemas internos).
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Grado de extensi6n del peligro (estructura con difieultades de evaeuaei6n 0 estrueturadonde el panico puede ser creado, estructura peligrosa a los atrededores, estructurasde ambiente peligroso),
La Tabla 1 rnuestra los efectos del rayo en diversos tipos de estructura.
Tabla 1, Efecto de los rayos sobre estructuras tipicas
Tipo de estructura segun lafunci6n y/o el contenido
Efectos del rayo
Casa de habitacion
Perforacion de instalaciones electricas, fuego y dartos rnaterialesDalio limitado normalmente a los objetos expuestos al punto detoque 0 a la trayectoria de la corriente del rayo.
por resultado retrasos en
problemas resultado deutadoras y perdida de
Industria
Museos y sitios &l'C(Ueolt!!gic!JSIglesias
Telecomunicaclones.electricas
Planta qulrnica, RefineriaCentral nuclear, Laboratoriosbioqufmicos y plantas
Fuego y mal funcionamiento de la planta can consecuenciasperjudiciales al ambiente local y global,
5.1.2 Fuentes y tipos de daiios de una estructura
La corriente de rayo es la fuente del dario. Las siguientes situaciones son consideradasdependiendo de la posici6n del punto de impacto relativo a la estructura:
S1 Impacto a la estructura
S2 Impaeto cerea de la estructura
8
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S3 Impacto al servicio entrando a la estructura
S4 Impacto cerca al servicio entrando a la estructura
Los rayos que impactan a la estructura pueden causar:
Dane mecanico inmediato, fuego y/ o explosion causado par el arco caliente ionizado delrayo, 0 causado por la corriente de rayo que origina calentamiento resistive de los
conductores (recalentamiento de conductores), 0 causado por la carga que origina un
areo corrosivo (metal derretido)
Fuego y/ o explosi6n iniciado por chispas, causadas por sobretensiones resultantes de
acoples inductivos 0 resistivos y por el paso de parte de la corriente de rayo.
Lesiones a personas por tensiones de paso y de contacto resultado de acoples
resistivos e inductivos.
Fallas 0 mal funcionamiento de sistemas internos causados por IER.
Los rayos que impactan cerca de la estructura pueden causar falla 0mal funcionamiento desistemas internos causados por IER.
Los rayos que impactan sabre acometidas entrantes a la estructura pueden causar:
Fuego y/ o explosion iniciado por chispas, causadas por sobretensiones y corrientes de
rayo transmitidas por la acometida entrante.
Lesiones a personas causadas por tensiones de contacto dentro de la estructura,
originados por corrientes de rayo transmitidas por la acometida entrante.
Falla 0 mal funcionamiento de sistemas internos causado por sobretensiones
transmitidas a la estructura por Ifneas entrantes.
Los rayos que impactan cerca de la acometida entrante a la estructura pueden causar:
Falla 0 mal funcionamiento de sistemas internes causado por sobretensiones inducidas
y transmitidos por lineas entrantes a la estructura.
NOTA EI funcionamiento incorrecto de sistemas internos no es tratado en la serie NTC 4552. Se hace enfasis deesto en la publicacion IEC 61000-4-5.
NOTA Solamenle las chispas que lIevan corrientes de rayo (total 0 parcialmente) se consideran capaces de iniciarfuego.
NOTA Los rayos, direclos 0 cerca de tuberias entrantes, no causan darios a la estructura, debido a que estas seenlazan a la barra equipolencial de la eslructura (vease la NTC 4552-3).
Como resultado, el rayo puede causar tres tipos basicos de dafios:
D1 Lesiones a los seres vivos, causadas por tensiones de contacto y de paso.
02 Danos fisicos (fuego, explosion, destruccion mecanica, escape qufmico) causados por
efectos de la corriente de rayo incluyendo chispas.
D3 Fallas de sistemas internos causados par IER.
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5.2 DANOS EN ACOMETIDAS
EI rayo que afecta una acornetida puede causar dario ffsico a esta -Ilnea 0 tuberia- sequn sea
usada para proporcionar alqun servicio (energia, telecomunieaciones, acueducto), asl como al
equipo electrico y electr6nico conectado a esta,
La escala de esta proporcion de dana depende de las caracteristicas de la acornetida, del tipo y
de la extension de los sistemas electricos y eleetr6nicos y de las caracteristicas del rayo.
5.2.1 Efectos del rayo en acometidas
Las caracteristicas principales de la acometida a las que se consideran los efeetos del rayo
son:
aerea, subterranea, cubierta, bierta, fibra optica; tuba:
nicaci6n, linea de energia, t
, DPS, redundancia
generacion, Sistema de
Lineas de Energia Perforaciones del
aislarniento del equipo
consecuencia de perder
e de la linea, falla del
transformadores con la
Tuberlas de agua Danos a los equipos de control
causando la perdida del servicio.
y electrcnico, probablemente
Tuberfas de gas, Tuberias de
combustible
Perforaciones de empaques no rnetalicos probablemente causando
fuego y/o la explosiones.
Danos a equipos de control eiecmco y electronlco probable mente
causando ida del servicio.
5.2.2 Fuentes y tipos de dana en una acometida
La corriente de raya es 'Ia fuente del dafio. Las siguientes situaciones deben ser consideradas
dependiendo de la posici6n del punta de impacto relativo a Is acometida considerada
81 Rayas a la estructura suplida por la acometida considerada,
83 Rayos a la acometida entrante a la estructura,
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S4 Rayos cerca de la acometida entrante a la estructura
Rayos que impactan la estructura pueden causar en la acometida de servicio:
Fundici6n de alambres rnetalicos (conductores) y de las pantallas del cable, causado
por parte de la carriente de rayo que fluye en las acometidas, dando par resultado un
calentamiento resistivo.
Falla del aislamiento en Ifneas y de los equipos conectados causados por acaples
resistivos. (ACOPLAMIENTOS).
Disrupcion de empaques no rnetalicos en bordes de tubos, asi como empaques en
empalmes de aisladores.
NOTA EI cable de fibra 6ptica sin conductor rnetallco no es afectado por lacaida del rayo en la estructura.
Rayos que impactan la acometida entrante ala estructura pueden causar en la acometida
de servicio:
Dana rnecanico inmediato de alambres 0 ductos rnetalicos de la acometida causados
por esfuerzo electrodinamico a par efectos terrnicos de la corriente de rayo (rompiendo
y/ o fundiendo alambres, pantalias 0 tuberias rnetalicas), y causados par el area
ionizante de calor (perforando la cubierta protectiva de plastico),
Dalio electrico inmediato de las lineas (Falla de aislamiento) y del equipo conectado;
Perforaciones finas en bordes y empaques de tuberia aerea rnetalica y no metalica,
donde sus consecuencias pueden extenderse a fuego y explosi6n, dependiendo del tipo
de liquidos transportados.
Los rayos que impactan cerca de la acometida entrante a la estructura pueden causar en
la acometida de servicio:
Falla del aislamiento en lineas y equipos conectados a estas, debido a acoples
inductivos (sobretensiones inducidas).
NOTA EI cable de fibra optica sin conductores metalicos no es afectado por los rayos a tierra.
Como resultado, el rayo puede causar dos tipos basicos de darios:
02 Danos fisicos (fuego, explosi6n, destrucciones mecanicas, escape quimico) causados
por efectos termicos de la corriente del rayo.
D3 Falla de sistemas electricos y electr6nicos causadas par sabretensiones.
5.3 TIPOS DE PERDIDAS
Cada tipo de dario, solo 0 conjuntamente can otros, pueden producir diferentes consecuencias
perjudiciales en el objeto a proteger. EI tipo de perdida que puede aparecer depende de las
caracteristicas del objeto mismo
Para prop6sitos de esta norma son considerados los siguientes tipos de perdidas:
L1 Perdida de vidas humanas
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L2 Perdida de servicios publicos
L3 Perdida de bienes culturales
L4 Perdidas econ6micas
Las perdidas del Tipo L1, L2 Y L3 se pueden considerar como perdidas de valor social,
mientras que las perdidas del Tipo L4 se pueden considerar como perdidas econ6micas.
Las perdidas que pueden asociarse con los impactos en 0 cerca de las estructuras son L1, L2,
L3 Y L4.
Las perdidas que pueden asociarse con los impactos en 0 cerea de las acometidas de servicio
son L2 y L4 .
acometidas se p
dane, el tipo de dana y la perdid
bla 3 y Tabla 4 respectivamente.
. las estructuras y para las
puntos de impacto
Tipo dePerdlda
Estructura
01
02
03
Cerca de la
JtL1 01
02
D3
Acomet ida de servicio
entrando a la estructura
L1. l41 2 )
L 1 , l 2 , L 3 , L 4
L 1, L2, L4
L1 , L4(2)
L1, L2. L3, L 4
L 1 (11, L2 , L4
(1) Solo para estructuras con riesgo de explosion, hospitales u otra estructura en donde las fallas del sistema
interno ponga en perigro la vida hurnana.
(2) Solo para propiedades donde exista perdida de anirnales,
Cerca de la acometidade servicio
84 03
En el caso de estructuras con
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Tabla 4. Danos y perdidas en la acometida de servicio de acuerdo con diferentespuntos de impacto de rayo
Punta de impacto Fuente de dana Tipa de dana Tipo de perdida
Acometida de Servicio S3 Di,03 L1,L2.,L4
Cerca a la acometida deS4 03 L2,L4
servicio
Estructura suplida $1 Oi,03 L1,L2,L4
• En el caso de tuberias con empaques 0 bridas no metallcos transportando fluidos explosives
6. NECESIDADES Y CONVENIENCIAS ECONOMICAS PARA LA PROTECCION
CONTRA RAVO
6.1 NECESJDAD DE LA PROTECCION CONTRA RAVO
En funci6n de reducir perdidas de valores sociales L1, L2, Y L3 sera evaluada la necesidad de
proteger un objeto contra rayo. Para evaluar si una u otra proteccion contra rayo es necesaria,
se realiza una evaluacion del riesgo de acuerdo con los procedimientos contenidos en la
NTC 4552-2.
Los siguientes riesgos deben considerase, correspondientemente a los tipos de perdida
descritos en el numeral 5.2.3:
R1 riesgo de perdida de vidas humanas;
R2 riesgo de perdida de servicios publicos domiciliarios;
R 3 riesgo de perdida del patrimonio cultural;
La proteccion contra rayo es necesaria si el riesgo R (R1 a R3) es mas alto que el nivel tolerable
R T
R> Rr
En este caso la medida de proteccion sera adoptada en orden de reducir el riesgo R (R1 a R3)
al nivel tolerable R T
R :;; R r
Si mas de un tipo de perdida podria aparecer en el objeto que se proteqera, la condicion
R s Ry sera satisfecha para cada tipo de la perdida (L1, L2 Y L3)
Los valores del riesgo tolerable RT donde el resultado dei impacto de rayo sea la perdida de
articulos de valor social, debe estar bajola responsabilidad del organismo nacionalcompetente.
NOTA EI detalle sobre la informacion de la evaluacion del riesgo y el procedimiento para la seleccion de lasmedidas de proteccion estan descritas en la NTC 4552-2
Los tipos de perdida que resultan de tipos de dana y la relacion con el riesgo se muestran en la
Figura 1.
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Tipo de
dafios
t.eslones POl'
tensiones de
paso y de
contacto
Fa ll a co r s cor e -t~nsjonA8
Tipo de
perdidas
1)o electronicos
como resultado de difere
6 . 2
~I': •• protegido, puede ser uti I
~_~·i on para reducir perdidasI
En este case
evaluation del
de proteccion.
ser determinado. La
mica can y sin medidas
La protecci6n co as es conveni
presencia de medru ... ","" protecci6n CRL. y d e h . .. C O S 1 r o :; jC l e . ·m I C l I JO e ~que el costa de I sin medidas de la P r J : > t e I ~ 5 r r c : x : · ~ ' ·
perdida residual en la
cion CPM es mas baja
NOTA La inform
7. MEDIDAS DE PROTECCION
las medidas de proteccion se pueden adoptar para reducir el nesqo sequn el tipo de dano.
7.1 MEDIDAS DE PROTECCION PARA REDUCIR LESIONES EN SERES VIVOS
CAUSADAS paR TENSIONES DE PASO Y CONTACTO.
Las posibles medidas de proteccion son:
Adecuado aislamiento de piezas conductoras expuestas.
Equipotencializaclcn por medio de un sistema de puesta a tierra.
Restricciones flsicas y avisos de prevencion.
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NOTA La equtpotencieltzacion no es efectiva contra tensiones de contacto.
NOTA Un aumento de la resistencia superficial del suelo dentro y fuera de la estructura puede reducir el peligropara la vida.
7.2 MEDIDAS DE PROTECCION PARA REDUCIR DANOS FislCOS
Las posibles medidas de proteccion son:
a) para estructuras
EI Sistema integral de proteccion contra rayos (SIPRA)
NOTA Cuando un SIPRA esta instalado, la equipotencializacion es una medida muy importante parareducir peligro: de perder la vida, de incendio y de explosion. Para mas detalie vea la publicacion en laNTC 4552-3.
NOTA Se pueden reducir danos fisicos si se usan elementos que limitan el desarrollo y la propaqacion delfuego tal como compart imientos, ext intores, hidrantes, instalaciones incombustibles, alarrnas contraincendio e instalaciones extintoras de fuego,
NOTA Rulas de evacuaci6n seguras proporcionan proteccion al personal.
b) para acometidas
Conductor blindado
NOTA Para cables enterrados una proteccion muy eficaz es dada mediante los ductos rnetalicos.
7.3 MEDIDAS DE PROTECCION PARA REDUCIR FALLAS EN SISTEMAS ELECTRICOS
Y ELECTRONICOS
Las posibles medidas de protecclon son:
a) para estructuras
EI sistema de proteccion contra IER (SPIER) es un conjunto de las siguientes medidas
que pueden ser usadas solas 0 en combinacion:
Dispositivos de proteccion contra sobretensiones (DPS) en el punto de entrada de
las lineas que incorporan la estructura y en las instalaciones internas,
Protectores rnaqneticos en la estructura y/o en las instalaciones de la estructura
y/o en las Ifneas que incorporan la estructura,
Establecer rutas adecuadas del cableado interne en la estructura.
Conexi6n a tierra y union de conductores
b) para acometidas
Dispositivos de protecci6n contra sobretensiones (DPS) a 10largo de la acometida
yen la terrninacion de linea;
Apantallamientos rnaqneticos de cables.
NOTA Para cables enterrados, una proteccion muy eficaz es una continua pantalla rnetalica decalibre adecuado.
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NOTA Circui tos auxiliares, equipo redundanle, sistemas de autoabastecimiento enerqetico,
sistemas continuos de energia, sistemas de almacenamiento de agua, sistemasautornaficos de detecci6n de falla son medidas de protecci6n eficaces para reducir la
perdida de actividad de alglin servicio.
NOTA Un incremento de la tension disruptiva del aislamiento del equipo y de los cables es unamedida eficaz de protecci6n contra fallas causadas par sobretensiones.
7.4 SELECCION DE MEDIDAS DE PROTECCION
La seleccion de rnedidas de proteccion mas convenientes sera hecha por el diseriador y el
propietario de la estructura sequn la cantidad y el tipo de cada clase de dane, y sequn los
aspectos tacnicos y econ6micos de las divsrsas medidas de protecci6n.
Los criterios para la evaluacion del riesgo y para la seleccion de las medidas mas convenientes
de protection se en la NTC 4552-2
En la practica la ·bt(jlflktio'n
casos reales, la
continuo de caIlDl·,.11Gt"lLJ;8CIO
permiten que la r'"ir'l!iol:lint,1lIl
Las medidas de p
de normas a
soportar el esfu
eficaces bajo la condition de q
a las reglamentaciones vig
do en el lugar de su instala
8. S Y ACOMETIDAS
Una encerrando el objeto a
bOl~tt(Jr continuo conectado a
a las acometidas que
lda.le~~lfOlllprevendrfa la penetracion
bjell6''j)t~~te~gido, mitigando efectos
;~mBnlE, tensiones disruptivas
pel igro.s •• I:8~ cos y electronicos.
Falla del servicio y de los sistemas conectados.
Las medidas de proteccion, adoptadas para reducir tales darios y sus respectivas perdidas, seran
diseriadas sequn el sistema de parametres de la corriente de rayo contra los cuales se requiere
la protecci6n (nivel de proteccion contra rave NPR).
8.1 N'IVELES DE PROTECCION CONTRA RAYO (NPR)
Para prop6sitos de esta norma, se introducen cuatro niveles de proteccion contra raya (I a IV).
Para cada nivel (NPR) se genera un sistema fijo de parametres maxirnos y mfnimos de corriente
de rayo.
NOTA Las protecciones contra el rayo cuyos parametres, maximo y minimo, de la corriente de rayo excedan elnivel I (NPR I)no se consideran en esta norma.
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NOTA La probabilidad de ocurrencia de rayo cuyos parametres, maximo y minimo, de la corriente de rayo excedanel nivell (NPR I) es menor del 2 %.
Los valores maxirnos de los parametres de la corriente de rayo a nivel I (NPR I) no seran
excedidos, can una probabilidad de 99 %. De acuerdo conla proporcion de la polaridad (vease el
numeral A2), los valores tomados para descargas positivas tendran probabilidades par debajo de
10 %, mientras que para descargas negativas permaneceran debajo de 1 % (vease el numeral A.3).
Los valores rnaximos de los parametres de corriente de rayo del nivell (NPR I) se reducen a 75 %
para el nivelll ya 50 % para los niveles III y IV (lineal para I, Q y dildt, pero cuadratico para WIR).
Los parametres del t iempo no cambian.
Los valores rnaxirnos de los parametres de corriente de rayo para diversos niveles de
proteccion contra rayo (NPR) se muestran en la Tabla 5, y son usados para diseriar los
componentes de la protecci6n (ej. secci6n transversal de los conductores, grueso de las hojas
de metal, capacidad de corriente del DPS, distancia de separaci6n contra disrupciones
peligrosas) y para definir los parametres de la prueba que simula los efectos del rayo en estos
componentes (vease el Anexo D).
Tabla 5. Valores maximos de parametres del rayo de acuerdo con el NPR
Primera descarga corta NPR
Pararnetro Simbolo Unidad I II III I IV
Corriente pico r K A 2 0 0 1 5 0 1 0 0
Carga corta Qcol'/a C 1 0 0 75 5 0
Energia especifica fVIR kJIO 1 0 0 0 0 5 6 2 5 2 5 0 0
Oescarga corta subsecuente NPR
Pararnetro Simbolo Unidad I II III I IV
Corrienle pico f K A 5 4 4 0 , 5 2 7
Pendiente Promedio di/dt kAlJS 1 2 0 9 0 6 0
Parametros de tiempo 7 / 7 2 IJsflJs 0,4/50
Oescarga larga NPRPararnetro Simbolo Unidad I II III I IV
Carga larga Q l t r r : x t, C 1 0 0 7 5 5 0
Parametro de tiempo rc; s 0 , 5
Rayo NPR
Pararnetro Sfmbolo Unidad I II III I IV
Carga Qrc~rQ C 3 0 0 2 2 5 1 5 0
Los valores minimos de amplitud de la corriente de rayo para los diversos niveles (NPR) se
utilizan para derivar el radio de la esfera rodante (vease el numeral A.4) en funci6n de definir la
zona de protecci6n contra rayo, que no se puede alcanzar por descarga directa (vease el
numeral 8.2, Figura 2 y Figura 3). Los valores minimos de los parametres de la corriente derayo junto con el radio relacionado de la esfera rodante se dan en la Tabla 6. Estos S8 utilizan
para posicionar los bornes aereos y para definir la zona ZPR O B de la protecci6n contra rayo
(vease el numeral 8.2).
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Tabla 6. Valores mfnimos de parametres del rayo relativos al radio de la esfera rodantecorrespondiente a cad a NPR
Cr:iterio de lnterceptacicn NPR
Sfmbolo Unidad I II III IV
Caniente pica minima I kA 1 7 21 26 3 0
Radio esfera rodante R m 35 4 0 5 0 55
NOTA Estas corrientes estan basadas con las probabilidades de zona tropical (vease el Anexo A).
NOTA EI pracedimiento de obtenci6n de estos radios para zona tropical esta descrito en el numeral A.4 de eslanorma.
NOTA EI diseflador es libre de usar cualquier radio dela esfera, siempre y cuando estes sean inferiores a losmastrados en la Tabla 6.
valores rnaximos
de la proteccion
disticas dadas en I:a Figura A.S, la
que los para metros de corrie
mayores que los valores m
babilidad ponderada puede
a sean menores que los
definidos para cada nivel
para los pa~:'~:if!~~~~'::;
para el diserio.
la probabilidad
ida par el NPR asumido
p r C ) t e I C C j j , , " 1 1 asumida como igual a
dentro de dicho rango.
8 . 2
Las rayos ZPR
Las protecciones ag de la ZPR se caracterizan por
que pueda existir aguas arriba de la ZPR.
on s.ignificativa dellER,
Con respedo a la proteecion contra el rayo se definen las siguientes ZPR (Figura 2 y Figura 3):
ZPR O A Expuesto a impactos directos del rayo. La Corriente y el campo maqnetico del
ray a no son amortiguados.
ZPR O s Protegida contra impactos directos de rayo. La corriente parcial a inducida del
rayo y el campo rnaqnetlco no son amortiguados.
ZPR 1 Protegido contra impactos directos del rayo. La corriente parcial 0 inducida del
rayo y el campo mapnetico son amortiguados
ZPR2 n Como la ZPR 1 perc el campo rnaqnetico es mas amortiguado.
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NOTA En general, cuanto mas alto es el nurnero de la zona individual, mas bajos son los valores de losparametres electrornaqneticos del ambiente.
Como regia general para la proteccion, el objeto protegido estara en una ZPR cuyas
caracteristicas electrornaqneticas sean compatibles con la capacidad del objeto para soportar el
esfuerzo causa del dane a reducir (dartos ffsicos, fallas de los sistemas electricos y electr6nicos
debidas a sobretensiones).
NOTA Para muchos sistemas electricos Y electr6nicos Y otros dispasitivos, la informacion sabre el nivel disruptivapuede ser suministrada por el fabricante.
Para los DPS el diseFiador podra utilizar los lineamientos contenidos en la norma tecnica
colombiana vigente, 0 los documentos normativos ANSI IEEE C 62.41-1, -2: 2002 e IEC 62305-4.
8.3 PROTECCION DE ESTRUCTURAS
8.3.1 Protecci6n para reducir danos fisicos y riesgos de perder la vida
La estructura protegida estara dentro de un ZPR Os 0 mayor. Esto se alcanza por media de un
sistema integral de proteccion contra rayo (SIPRA).
Los SIPRA consisten en sistemas extern os e internos de proteccion contra rayo y,
adicionalmente, medidas de seguridad y proteccion personal contra rayo (Vease la Figura 2).
81
S3 Servicio
entrando
ZPR 1
Servicio
entrando
\ Sistema de tierra
S1 lrnpacto a la estructura
S2 Impacto cerca de la est ructura
83 Impacto en servtcio entrando a la estructura
34 Impacto cerca servicio entrando a la estructura
Radio esfera rodante
s Distancia separaclcn contra pel igros de impacto
o Barraje equipotenc ia l de rayos (DPS)
ZPR 0A Impactos di rectos, cor riente total del rayo
ZPR 08 No impactos d irectos. corr iente parc ial de rayo 0 corriente inducida
ZPR 1 No lrnpactos directos, corriente parcial de rayo a corriente inducida
volumen protegido dentro de ZPR 1 tiene que respetar
distancia de separacion s
Figura 2. Zonas de proteccion contra rayos ZPR definidas para un SIPRA (NTC 4552-3)
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S ,
Estructura
apantallada
par ZPR 1
Sistema de
Cuarto
apantallado
par ZPR 2
o
ZPR 2
Servicia
entrando
1 Estructura ap,ai)l l~!IlI2 Sistema de I3 Sistema de baj4 Puesta a Tie56 campos rnaqneticos
ZPR O A
ZPR D B
ZPR 1ZPR 2
IlTlr'<>,.;- ......"'-'l~" corriente total del rayo
imi*tGa·;~irectos, corrienle parcial deimt)8d!OStlirectos, corriente parcial de
jaO.,rm:~~lidodenlro de ZPR 1 Y ZPR 2
protecci6n contra. rayos ZPR defin,n""", ..no
contra IER
Las funciones de los sistemas externos son:
Interceptar el rayo dirigido a una estructura (can un sistema de captadores)
Conducir la corriente de rayo con seguridad a tierra. (con un sistema de conductores
bajantes)
Dispersar el rayo en tierra (can un sistema de puesta a tierra)
La funci6n de los sistemas de proteccion internos es prevenir chispas peligrosas dentro de la
estructura, usando una consxion equipotencial 0 una distancia de separacion, 5, (por 10 tanto
aislamiento electrico) entre los componentes de los SIPRA y otros elementos electricarnente
eonductores internos enla estructura.
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Las medidas de seguridad y proteccion personal contra rayo eonsisten en una guia de seguridad
personal contra este fenorneno yen casos de instalaciones al aire libre, un sensor de tormentas.
Se definen cuatro tipos de SIPRA (I, II, III, IV) como un sistema de reglas de construccion,
basadas en el NPR correspondiente. Cada sistema incluye un nivel dependiente (ej. radio de la
esfera rodante, ancho del acoplamiento, etc.) y un nivel independiente (ej. secciones
representativas, materiales etc) de reglas de construccion.
EI peligro de perder la vida debido a las tensiones de paso y de contacto, donde la resistencia
superficial del suelo fuera y dentro del piso de la estruetura no es suficientemente alta, se
reduce asl:
Fuera de la estructura, por aislamiento de las partes eonductoras expuestas, par
equipotencializacion mediante un sistema de malla a tierra, por medio de avis os y
restricciones fisicas.
Dentro de la estruetura, por conexi6n equipoteneial de las aeometidas en el punto de
entrada a la estructura.
Los SIPRA se diseriaran can indicaciones de la NTC 4552-3.
8.3.2 Protecci6n para reducir fallas en sistemas internos
La proteccion contra IER para reducir el riesgo de falla en sistemas internos se lirnitara a
Sobretensiones causadas por el rayo sobre la estructura, resultado del acople resistivo
e inductivo.
Sobretensiones causadas por el rayo cerea de la estruetura, resultado del aeople
inductive:
Sobretensiones transmitidas por las lineas entrantes, causadas por rayos sobre 0 cerea
de las lineas.
Aeople directo del campo rnaqnetico can los sistemas internos.
NOTA Los efectos del acople directo del campo maqnetlco con los sistemas internos son menores y pueden serdespreciados siempre y cuando los aparatos de los sistemas cumplan con 10relevante a las normas de productoselectrornaqneticarnente compatibles (vease la NTC 4552-2 Y la normatividad nacional vigente para protecci6n desistemas intern os 0 en su defecto la norma IEC 62305-4 0 los documentos normativos IEEE C62.41-1 eIEEE C62.41-2 0 la normatividad UIT serie K).
EI sistema interno protegido estara dentro de una ZPR1 0 uno mas alto. Esto se aleanza par
medio de proteetores rnaqneticos que atenuan el campo maqnetico inducido y/o par medio de
eonexiones adecuadas (trayectos convenientes) del eableado, que reducen el lazo de inducci6n.
La eonexi6n sera proporcionada por los Ifmites de la ZPR para las piezas metahcas y los
sistemas que cruzan los Ifmites que se pueden realizar por medio de eonexi6n de eonductores,cuando son necesarios, par dispositivos de proteccion (DPS).
Las medidas de protecci6n para la adecuada ZPR se estableeen en la normatividad naeional
vigente a en su defecto la norma IEC 62305-4 0 los documentos normativos IEEE C62.41-1 e
IEEE C62.41-2 0 la normatividad UIT serie K .
21
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La protecci6n efectiva contra sobretensiones, que causan fallas de sistemas internos, tarnbian se
puede alcanzar par media de un sistema DPS que limita sobretensianes par debaja del impulso
de tension disruptivo del sistema protegido.
Eli DPS sera seleccionada e instalado sequn los requisitos de la normatividad nacional vigente 0
en su defecto la norma lEG 62305-4 0 los documentos normativos IEEE. C62.41-1 e
IEEE C62.41-2 0 la normatividad UIT serie K.
8.4 PROTECCION DE ACOMETIDAS
Las acometidas estaran protegidas dentro de una:
ZPR Os 0 mayor, para reducir dartos fisicos. Esto se alcanza seleccionand'o un trayecto
subterraneo en vez de uno aereo 0 usando un interruptor colocado adecuadamente,
cuando sea sequn las caracteristicas de la If 0 aumentando el calibre de la
tuberla a un asegurando su continuidad
v";,.....ion contra sobrete
alcanza reduciendo
io del adecuado
causan fallas de servicio
de las sobretensiones
netico de cables, y/o
io del DPS adecuado.
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ANEXOA
(Informativo)
PARAMETROS DEL RAYO
A.1 RAYOS A TIERRA
Existen dos tipos de descargas electricas atmostericas 0 rayos:
Oescargas descendentes iniciadas por un Ifder descendente nube - tierra.
Oescargas ascendentes iniciadas por un Ifder ascendente de una estructura aterrizada
a nube
En territorios pianos y estructuras bajas generalmente S8 presentan descargas descendentes,
mientras que para estructuras altas dominan las descargas ascendentes. Con estructuras altas
la probabilidad de impacto se incrementa (NTC 4552-2 Numeral 6) y cambian las condiciones
ffsicas.
Un rayo consiste de una 0 varias descargas (strokes)
Oescargas de corta duracion, menores de 2 ms (vease la Figura A.1)
Oescargas de larga duraci6n, mayores de 2 ms (vease la Figura A.2)
0,
± i
50%
OJ = Origen virtual
J = Corriente pico
t, = Teimpo de frente
t 2 = Tiempo atvalor medio
Figura A.1, Definiciones de parametres de irnpacto corto (Tipicamente T 2 < 2 ms)
2 3
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I---~~~~~~~~~- T,on9 ~~~~~~~~---It - -- -- - --
T'ong = Tiempo de duraci6n
Q '0n<J = Carga de impacto largo
Figura .A.2. Definiciones de parametres para descargas largas (Tipicamente 2 ms <T'ong<1)
Adernas de las dife
positiva) y su posici
componentes son
para descarga.s
= i ± i
descargas se debe considerar la
la descarga (primera, subsecu
la Figura A.3 para descargas
laridad del rayo (negativa 0
sobrepuesta) Los posibles
ntes y en la Figura A.4
±i
- i - i - i
Negative Negative
Fi.gura .A.3. Posibles componentes de descargas descendentes
(Tfpicas enterritorios planes y estructuras bajas)
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Oescargas cortas
superpuestaa
= i : : t j = i ± i
Prime-a
descarqa larga
Positive 0 negativo Posltlyo 0 negatlvo
-I -i .j -I
Descarqas conas
subsecuentes
Negatlvo Neqafivc
= i .i
Descarga
larga unica
Positive 0 neqauvc
Figura A.4. Posibles componentes de descargas ascendentes
(Tfpicas para estructuras expueatas y/o altas)
Una componente adicional para las descargas ascendentes es la primera descarga de larga
duraci6n (0 simplemente descarga larga) sin 0 con hasta 10 descargas cortas sobrepuestas.
Todos los parametres de las descargas ascendentes son menores que los de las descargas
descendentes. Sin embargo, no esta confirmado que exista una carga mayor para descargas
ascendentes. Por consiguiente, los parametres del rayo para descargas ascendentes se
consideran cubiertos por los valores maxim os tomados de las descargas descendentes. Una
evaluaci6n mas precisa de los parametres del rayo y su alta dependencia con respecto a
descargas descendentes y ascendentes esta bajo consideraci6n.
A.2 PARAMETROS DEL RAYO
Los parametres del rayo en esta norma estan basados en los resultados de investigaciones
realizadas en parses tropicales como Brasil, Colombia y datos del CIGRE, dados en la Tabla A.1.
Su distribuci6n estadistica puede ser asumida como una distribuci6n log-normal. EI
correspondiente valor de la media ( 1 - 1 ) Y la desviaci6n estandar ( a log [estan dados en la Tabla A.2
y la funci6n de distribuci6n se muestra en la Figura A.5 Con base en estos supuestos, puede ser
determinada la probabilidad de ocurrencia de cualquier valor de cada para metro.
2 5
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Tabla. A.1. Valores tabulados de parametros del rareotomados demedici ones de Brasil y Colombia (2], ( 61
Tipo de descargaDenominaciCIGREy
referencia
Magnitud delpararnetro
para NPRI
Magnitud probabilistica delparamatroarametro
f (kA)
Q " O O (C)
W I R ( kJ /O )
(1)
(2) Torres, H.2002.
BLOS, Bogota, Colombia,
(4) Se toman s de CIGRE (Electra No. 41 0 No. r mediciones confiables den"l"rii"bri positiva en zona tropical. Existen datos de localizacion de rayos perc la
ecuaci6n utilizada el calculo de corriente por esta tecnolog condicionada a los valores deCIGRE. Estas redes no entregan datos de di/dt . La investiqacion sabre estos datos para zona tropical seencuentra en progreso.
(5) Younes C. "Evaluacion de Parametres del Rayo con Mediciones Terrestres y Satelitales para Colombia"Tesis de Maestria, UN Bogota, 2002. (Item IliA).
(6) Schroeder, M.A. "Modele Eletrornaqnetlco Para Descontaminacao De Ondas De Corrente De descargasAtmosfsricas: AplicacaoAs Medi~6es da Estacao do Morro do Cachimbo" Tesis de Doctorado, U FederalMinas Gerais Brasil, 2001
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Tabla A.2 Dlstribuclon log-normal de los para metros del rayo.
Val ores medios y dispersion calculados para 95% v 5%
MediaDesvlacion Linea en
Parametres estiindar Tipo de descarga la Figura~
O"loQ A.5
45,3 0.39 Primera descarga negativa corta 1
I (kA) 16,3 0,51 Descarga subsecuente negativa corta 2
33.9 0.527 Primera descarga positiva corta 3
Q"!F ' (e)Rayo negativo
83.7 0.378 Rayo positivo 5
5,2 0.50 Primera descarga negaliva corta 6
a.; (e) 0,99 1,15 Oescarga subsecuente negativa carta 7
17.3 0.570 Primera descarga positiva carta 8
107 0.88 Primera descarga negativa corta 9
w 1 lI k J I Q 6,33 1,54 Oescarga subsecuente negativa carta 10
612 0.844 Primera descarga posit iva corta 11
19,4 0,29 Primera descarga negativa corta 12
dildt",,,, 29,9 0,66 Oescarga subsecuente neg at iva corta 13(kA/us)
2.53 0.670 Primera descarga positiva corta 14
di / dt 3DI 90 %24,7 0.68 Oescarga subsecuente negativa corta 15
(kA/us)
Q"'9' (e) 200 Descarga larga
T long (s) 0,5 Oescarga larga
Duraclon inicial5.6 0.36 Primera descarga negativa carta
(frente) 0,7 0,74 Oescarga subsecuente negativa corta
(us)26.5 0.534 Primera descarga positiva corta
Duracion de la53,5 0,62 Primera descarga negativa corta
cola 16,4 1,23 Oescarga subsecuente negativa corta
(us) 224 0.578 Primera descarga positiva corta
Intervalo de
tiempo Multiples descargas negat ivas cortas
(ms)
Duracion totalRayo negativo (todos)
del rayo Rayo negativo
(ms)83,7 0,472 Rayo positivo
NOTA Los tipos de descarga que no tienen valor alguno es debido a que no se tienen valores medidos.
La amplitud de la corriente de retorno de la descarga electrica atrnosferica es frecuentemente
referida como el parametro mas importante para aplicaciones en ingen.ierfa.
La descarga de retorno (0 return stroke en ingles) es la etapa del fen6meno que tiene mayor
aplicacion en la ingenieria del diserio y proteccion de sistemas electricos y electronicos, ya que
presenta las mayo res magnitudes de corriente electrica entre el centro de carga de la nube y
tierra.
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Registros de magnitud de corriente negativa de retorno del rayo para un area tropical son
presentados por Lee et al. (1979) [7]. Las mediciones se realizaron en Kuala Lumpur, Malasia,
por medic del rnetodo de antena aerea en campo abierto. En esta investigaci6n se desarrollo
un modelo te6rico para la obtenci6n de las corrientes de la primera descarga de retorno del
rayo, a partir de los datos de campo maqnetico obtenidos; en total se registraron 194 medidas
de campo rnaqnetico de la primera descarga de retorno de los rayos presentes en 11
tormentas. Con base en estos datos se estableci6 la distribuci6n de probabilidad acumulada del
valor pico de la corriente de retorno del rayo, y se obtuvo que existe una probabilidad del 50%
de que se presente un valor de corriente pico mayor a 36 kA; aSI mismo, la rata de ascenso de
la corriente, obtenida entre el 10 % Y el 90 % del valor pico, es tipicamente entre 4 y 6 kNjJs
para esta zona.
Posteriormente, Lee et al., realizaron una comparaci6n de los resultados obtenidos, can base
en la distribuci6n de probabilidad acumulada, de Kuala Lampur, con mediciones de otras partes
del mundo; en la Tabla A.3 se muestran las medianas del valor pico de corriente para estas
investigaciones. De acuerdo con esta comparaci6n Lee et al eoncluyen que, en general, existe
una buena concordancia entre los resultados, aunque las medidas fueron hechas por diferentes
metod os. En particular se presenta bastante concordancia entre los resultados obtenidos en
Malasia y los obtenidos par Anderson en Rodesia (actualmente Botswana en Africa central),
regiones tropicales con caracteristicas clirnaticas y geograficas similares.
Tabla A.3. Medianas del valor pico de la corriente de retorno del rayo en diferenteszonas del planeta (Adaptado de Lee et. AI. 1979)
PaisMediana(kA)
Estados Unidos 23
Suiza 30Suecia 30
Polonia 31Malasia 36Brasil 4 3
Rodesia 42Colombia 4 3
1) Monte cachimbo, minas Gerais, Brasil 1996
2) Valor estimado mediante mediciones de campo electrico a menos de100 km y aplicando el modelo MTL. [1]
Los datos de Brasil son el resultado de mediciones realizadas desde 1985 en la estaci6n de
investigaci6n Cachirnbo, localizada 15 km al sur de 8elo Horizonte, capital del estado de Minas
Gerais. Esta estaci6n consta de una torre de 60 m localizada en la punta de un cerro a una
altitud de 1 400 m sobre nivel del mar. La adquisici6n de los datos se hace, a traves de
transformadores de corriente cuyas senates son digitaliz.adas y luego registradas mediante
2 osciloscopios digitales. Los datos analizados para esta norma corresponden a 79 descargas
registradas entre 1985 y 1999 cuyo resumen se presentan en la Tabla A.4 (3-5].
Los datos de mediciones en Colombia corresponden a estudios realizados con diferentes
metod os de medici6n. La amplitud de la corriente de rayo se estim6 mediante mediciones de
campo electrico vertical Ilevadas a cabo en 1995 [9], par media de una antena de placas
paralelas, previamente calibradas en labo ratorio empleando un osciloscopio digital de alta
resoluci6n y equipo de medici6n asociado. Estos datos fueron comparados eon los registrados
por el sensor de tormentas TSS-420 en operaci6n en las instalaeiones de la Universidad
Nacional en Bogota La distancia de impacto se calcul6 mediante la informaci6n suministrada
par la red colombiana de localizaci6n de rayos RECMA, [1].
2 9
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Tabla A.4. Caracteristicas de rayos medidos en Cachimbo, Brasil
Numsro total de rayos registrados 79
Numero promedia de rayas par ano 7
Incidencia de descargas negativas 64 (81 %)
Incidencia de descargas positivas 13 (16,5 %)
Descargas con polaridad indefinida 2 (2,5%)
Descargas descendentes observadas (conf irmadas) 33 (41,8 %)
Incidencia de descargas negativas descendentes 31 (39,2 %)
Incidencia de descargas posi tivas descendentes 2 (2,5 %)
La evaluaci6n de los otros parametres para Colombia es el resultado de analisis de los datos
de la red colombiana calizacion de rayos RECMA, en ope6n desde 1997, [1.], [2].
parses tropics
(Anderson, et. alqrafica permite
en Zonas Tropic
(CIGRE).
os de probabilidad comparati
en latitudes no tropi
Cachimbo, Estado de
, et. ai, 1979) y Colomde magnitud de corri
rnbia y Rodesia),
los valores dados por
los estimados en cuatro
Gerais, 1996), Rodesia
rres, et. al., 1995). Estaiva de retorno de rayo
a zonas no tropicales
100,0%
80,0%
'0 60,0%
'":.c'"02[L 40,0%
20,0%
10
Corriente p ico de la descarga [kAJ
100
-=- CIGRE (1979)
PAAS. Colombia (1995)
Cachlrnco, Brazil (1993)
Anderson, Rhodesia (1954;
Lee. Malaysia (1979)CIGRE (1979)
Figura A.S.Curva de probabilidad acumulada de corriente de retorno negativa, comparativas entre parses
ubicados en zonas templadas (CIGRE)y ubicados en zonas tropicales
La relaci6n de polaridad es una funci6n del territorio considerado. Esta informaci6n para el caso
calombiano se presenta en la Figura A.7 y Figura A.8.
Valores que aun siguen vigentes en todo el rnundo, para aplicaciones en ingenieria
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70
80,------------------------------------------------------,
60
;fi
-; 50'r oE~ 40
o
a. 30
2 0
10
67.28
32.12
Positivas NegativasPolaridad
Figura A.7. Distribuci6n de polaridades promedio multianules (1997- 2001) para
el territorio Colombia no
10 0
9089.9
-,--
80I : . : :C· : ·
~--,::-:-.
O J 70 ~ ~--
'iii'C 60 -- -)
u
0 50 -- c--';_c,
40 -- . . : . .. . 1 . . . " ' • • -
3 0:. :.
2 0
1 01 0 . 1 1 · : , :
01 1 1 ; 1 ' :: : . • .
·c o1 5OJ0(D
76.9
,--70.5
=8,8
I . . . . : . . . . " : . - -~ - - ~r--h--+-------I~::"_
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23.1 _p
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I I I · · · F- , , , . ~ ~
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~ ellZ " 0-
ell(D (D
ell COJ ~f.)
.2 ui rn
: : : !5 . , ; . ,
o, Cll
OJ
D Positivos D Negativos
Figura A.SDistribuci6n de polaridades promedio multianules (1997- 2001) para
algunas ciudades Colombianas
La polaridad de una descarga electrica atrnosferica para un area considerada (aspectoespacial), puede tarnbien afectar la estrategia de una optima protecci6n contra rayos. Desde
las mediciones realizadas por Berger en las decades del 1950 a 1970, en Monte San Salvatore
(ltalia - Suiza), se ha establecido que la distribuci6n promedia de la polaridad de una descarga
electrica atrnosferica varia entre 90 % y 95 % para polaridad negativa y entre 5 % Y 10 % para
polaridad positiva.
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Sin embargo, resultados de mediciones en diferentes redes de localizaci6n de rayos, como par
ejemplo la NLDN2 de los Estados Unidos, muestran que una considerable proporcion de
descargas en epoca de invierno son de polaridad positive. De los analisis de resultados can
antenas de detecci6n de rayos, tipo DF (direction finding), en la Costa Este de los Estados
Unidos, Orville (1987), reporto un cambio de polaridad en las descargas, como funci6n de la
temporada, con dominio de la polaridad positiva en la temporada de invierno. Orville tambien
reporto un incremento en la mediana de la corriente pico de retorno del rayo para esta
temporada [1].
Sugimoto et. al., en 1994, presentan mediciones de Corriente de Retorno del Rayo durante el
invierno en Japon, siendo este el periodo cuando la actividad de rayos es mas severa,
encontrando una relacion cercana de uno a uno entre las descargas negativas y las positivas,
pero ninguna diferencia estadfstica notable en las magnitudes de corriente
Uman en su libro
aparicion de Rayos
latitudes altas y
realizadas con I
Colombia y can I
los rayos de pol
elevaci6n, dima
la tormenta y peri
Discharge (p.S4) [6] sostiene que I
positiva son aparentemente
s. Sin embargo, en los mas
por el grupo PAAS-UN
de Localizaci6n de Rayos
n no sola mente d
es temporales
condiciones que favorecen la
elevaciones, dimas frlos,
anos de observaciones
niversidad Nacional de
se ha encontrado que
iones espaciales como
iaria de presentacion de
Con base en I
reportar que alg
medido en m
permanece inal
poblacion de l'IIeCIl1J.;-;Sltlira
en el ana 2000, re~.~
~~iPl colombiana, se puede
mo funcion del tiempo,
s negativas - positivas,
ejemplo, que para la
enero a 95 % en junio
Mediante los aal[o!S,tJ'IILlIIJI;ar
de la polaridad
comportamientopolaridad 95 %departamento de 11: ' . .. _ ; ; " ,
de polaridad varia
:rQj!lB2:&qotrabajos de evaluacion
bien, en general el
distribucion tipiea deen la zona sur del
a y Huila, la proporci6n
NOTA metros del rayo ha side obtenido, aeneralJmenht
localizaci6n de rayos. La distr ibuci6n "d"fIiG_torres (descontaminaci6n).
""",;11"'" ones en objelos altos (tarres
valores de la eorriente pieo del
A.3 PARAMETROS MAxlMOS DEL RAYO PARA NIVEL I DE PROTECCION CONTRA
RAYOS - NPR I
Los efectos mecanicos del rayo se relacionan con el valor pica de la corriente (1 ) y la energia
especifica (WIR). Los efeetos terrnicos se relacionan con la energia especffiea (WIR) cuando se
presenta acople resistivo y con la carga (Q) cuando se presentaarco en lainstalacion.
Sobretensiones y arcos peligrosos causados por acoples inductivos estan relaeionados con el
valor medio de la pendiente de la corriente del rayo (dildt).
Ughtning Detection Network
3 2
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Cada uno de estos para metros (1, Q, WIR, dildt) tiende a dominar en cada mecanismo de falla.
Esto debe tenerse en cuenta al establecer los procedimientos de prueba.
A.3.1 Primera descarga corta y descarga larga
Los valores de J , Q, WIR que se relacianan con efeelos rnecanicos y terrnicos, se determinan a
partir de las descargas positivas (deb ida a que sus valores de 10 % son mucho mayores que loscorrespondientes al 1 % de los valores de las descargas negativas). De la Figura A5 (Iineas 3, 5,
8, 11 Y 14) se pueden asurnir los siguientes valores con probabilidad menor del 10 %, asi:
J = 200kA
Qf/ash = 300C
QCOI""O = 100 C
WIR = 10MJIO
dildt = 2OkAlf..ls
Para un primer impacto de rayo, de acuerdo con la Figura A.1, estos valores dan una primera
aproximaci6n para el tiempo de frente:
Para un impacto de rayo decayendo exponencialmente, la siguiente ecuaci6n aplica para un valor
de carga y energia (T1«T2 ).
Q _ 1 *1*1.eono - 0,7 2
(A.1)
W jR = _ ! _ • _1_. * /2 *T ?
2 0.7 -
(A.2)
Estas ecuaciones, junto con los valores dados arriba, dan una primera aproximaci6n para el valor
del tiempo al 50 %:
(A.3)
Para descargas de larga duracion, su carga puede ser calculada aproxidamente de:
O'arga = Qftash - Ocorto = 200 C (A.4)
Su tiempo de duraci6n, de acuerdo con la Figura A.2, puede ser estimado del tiempo de duraci6n
de la descarga como:
Tlarga = 0,5 s (A .5 )
NOTA Estos valores han sido tornados de lEG considerando que para zona tropical los parametres de polaridadpositiva Bun no han sido publicados.
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A.3.2 Oescargas cortas subsecuentes
EI valor maximo del promedio de la pendiente di/dt, que se relaciona con el arco peliqroso
causado por acople inductive, se determina de las descargas cortas subsecuentes negativas
(Debido a que el 1 % de sus valores son mucho mayores que las primeras descargas negativas 0
el correspondiente valor 10 % de las descargas positivas), De la Figura AS (lineas 2 y 15) se
puede tomar el siguiente valor con probabilidad menor del 1%:
1 54 kA (A6)
di/dt 120 kAif.jS (A.7)
Para un impacto corto subsecuente de acuerdo can la Figura A.1, estos valores dan una
primera aproxirnacion p su tiempo de frente:
TI =/(di/dt) = 0,4 us (A .S)
Su tiempo
negativa:
estimado de la subsecuente
A.4
Debido a que los ~~~;~~~i~~~~~~j_~atrno~;felrtll!t1i& .. zona tropical' difieren can
respecto a los de la esfera rodante para
prop6sitos de di determin6 el valor de la
corriente pico nimos para cada NPR
(veanse las T s anteriormente.
Aunque tradiciona I que el de la distancia
de irnpacto aproxi las corrientes m NPR, se tuvo en cuentaque tanto esta d como el punta final la descarga sabre una
estructura depen geometria y dimensi para todos los puntas en
la estructura (esq es, tech a plano, puntas consiguiente, aunque no
es posible establ de dlstancia de impacto as los casas, se puede
implementar la a as segura para el diserio de la , determinada por la
distancia de impacto terreno piano'S' (sin estructuras). 6n brinda mayor seguridad
porque constituye el minimo que puede tomar la distanci irnpacto, ya que la presencia
de estructuras en tierra propicia la formaci6n de lideres ascendentes y por consiguiente aumenta
el valor de esta distancia.
Debido a 1 0 anterior, el radio de I'a esfera rodante se estim6 aplicando la expresi6n propuesta en
el trabajo doctoral [121 para los val ores de corriente pico minima en zona tropical dados en la
Tabla 6 para cada NPR. Dicha expresi6n es la siguiente:
S = 3 .91po78 (A9)
AI comparar los valores de la distancia de impacto para terreno piano'S' con los usados
tradicionalmente para disefio por medio de la expresion S I : : : : : . 1 0 I p o , 6 5 se encuentran valores
apreciablemente mayores para la expresi6n tradicional ' S / , 1 0 cual puede Ilevar a sobrestimar eli
radio de la esfera rodants y como consecuencia disenar un sistema de protecci6n externo de
menor eficiencia a la deseada
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Mayores detalies acerca del tema, se pueden encontrar en la referencia [12].
A.S NIVEL CERAUNICO Y DENSIDAD DE RAYOS A TIERRA
A.S...1 Variaci6n espacial del nivel ceraunico
EI NC fue evaluado en areas de 30 km2 x 30 km2, encontrandose zonas con valores entre 11 d y
289 d tormentosos ario. La Figura A.9 muestra la variacion de estos valores en la geografia
colombiana para el ario 1999.
8.0
12,0
10,0
6.0
-a
.2 4,0~--'
2,0
0,0
-2,0
-4,0
-78,0 -76.0 -74,0 -72,0 -70,0 -68,0
Longilud
Figura A.9. Mapa de ISO·Niveles ceraunicos para Colombia (Area de 30kmx30 km) -1999
NOTA Este mapa de ISO-Niveles ceraunicos para Colombia fue elaborado por el convenio Universidad Nacional deColombia e Interconexi6n Electr ica SA ESP, con base en el Sistema de Informacion de Descargas de ISA SA ESP,en caso de alguna aciaraci6n favor dirigirse a los autores
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A.5.2 Densidades tipicas en Colombia
La evaluac.i6n Global de DDT para toda ta geograffa colombiana se hizo para areas de 300 km2
x 300 krn", para un total de 1393 km2x900 krn"; sus resultados se muestran enla Tabla A5 y
Figura A10 Se presentan variaciones en valores desde 0,0012 hasta 11.4, con un valor de
media aritmetica de 3 [strckes/krrr-afiol.
Tabla A.S. Actividad de rayos en la geogra.f ia colombiana entre 1977-1999.Area = 1393x900 km2
Respecto a la ev
sitios del mundo,sub-tr6pico [11].
se pueden enc
35 [stro .
propositos de d
traves de los datm_1IRlI
4.0
2.0
{),O Ecuador
- z . o
8rilsil
-7~,O -76.0 7 · 4 . 1 J -72,Q -70;CI -se.o ·65.0
Figura A.10, DDT Colombia 1999 (areas 300 km2 x 300 km2)
Longilud
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Tabla A.6. Densidad de descargas a tierra para algunas ciudades de Colombia
Ciudad Latitud LongitudDensidad
promedio
Barranquilla 10,9 -74,8 1
Cartaqena 10,5 -75,5 2
Corozal 9,3 -75,3 3
EIBanco 9,1 -74,0 10
Magangue 9,3 -74,8 5
Monteria 8,8 -75,9 2
Quibdo 5,7 -76,6 9
Santa Marta 11,1 -74,2 2
Tumaco 1,8 -78,8 1
Turbo 8,1 -76,7 5
Valledupar 10,4 -73,3 2
Riohacha 11,5 -72,9 2
Armenia 4,5 -75,8 2
Barranca 7,0 -73,8 7
Bogota 4,7 -74,2 1
Bucararnanea 7,1 -73,1 1
Cali 3,6 -76,4 1
Cucuta 7,9 -72,5 1
Girardot 4,3 -74,8 5
lbaque 4,4 -75,2 2
Ipiales 0,8 -77,6 1
Manizales 5,0 -75,5 2
Medellin 6,1 -75,4 1
Neiva 3,0 -75,3 1
Ocana 8,3 -73,4 2
Pasto 1,4 -77,3 1
Pereira 4,8 -75,7 4
Popayan 2,4 -76,6 1Remedios 7,0 -74,7 12
Villavicencio 4,2 -73,5 1
Bagre 7,8 -75,2 12
Sarnana 5,4 -74,8 9
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ANEXO B
(Informativo)
FUNCIONiES DE LOS PARAMETROS DEL RAVO PARA PROPOSITOS DE.ANALISIS EN EL
DOMINIO DEL TIEMPO
Las formas de onda de corriente (T 1 /T 2 ) para:
La primera descarga 10/350 I - l S
Las descargas subsecuentes cortas 0,4/50 I - l S
Pueden ser definidas como:
;;;
(6.1 )
en donde
I
k
Los parametros d~"~~
18 descarga SUbSEK;YSnltf l
Figura B.1 y la F r-t . .. .. .. . · . ..
la primera descarga y
LalS.·CJW'ViRf·.~~liticas se muestran en la
Las descargas DU';:oem ser descritas par f~"ll't'Iao
promedio 1una ....WCYU T10rgn de acuerdo con la
La densidad de C;"I"'IIIUtu...o
analiticas.
derivada de las curvas
Tabla B.l, Parametres para la ecuaci6n B.1
Primera descarga Oescargas subsecuentes
Parametres NPR NPR
I II III-IV I II III-IV
J (kA) 200 150 100 75 56 38
k 0,941 0,941 0,941 0,981 0,981 0,981
1:1 (I-IS) 9,43 9,43 9,43 0,354 0,354 0,354
TZ (us) 471 471 471 70,45 70,45 70,45
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100 %
50 %
0%4-------------==~-L----------_+------------------~
t~
~-------------T2--------------
Figura B.1. Forma de onda dela pendiente de la descarga de corriente
50 %
0% ~-----------------T------------------------------~
100 %
50 %
1-
Figura B.2. Forma de onda de la cola de la descarga de corriente
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10',-----------------------------------------,
4
(MHz)
r 10'+--2-.....:::...,------
4
10t
40
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ANEXO C
(Informativo)
SIMULACION DE LOS PARAMETROS DEL RAVO PARA PROPOSITOS DE PRUEBA
C.1 INTRODUCCION
Si un objeto es impactado por un rayo, la corriente del rayo circula por el mismo. Cuando se
ensayan elementos de proteccion individuales, debe tenerse en cuenta la escogencia de
parametres de prueba apropiados para cada componente. Finalmente, debe ser realizado un
analisis del comportamiento del SIPRA.
C.2 SIMULACION DE LA ENERGiA ESPECIFICA DE LA PRIMERA DESCARGA CORTA Y
LA CARGA DE UNA DESCARGA LARGA
Los parametres de prueba estan definidos en las Tablas C.1 y Tabla C.2; un ejemplo del
generador de pruebas se muestra en la Figura C.1, el cual puede ser usado para simular la
energfa especffica de la primera descarga corta combinada con la carga de la descarga larga.
Las pruebas son hechas para evaluar la integridad rnecanica, comportamiento ante
calentamiento y efectos de fundici6n.
Los parametres de prueba relevantes para la simulacion de la primera descarga corta (corriente
pico J, energia especifica W IR y carga Qs) estan dados en la Tabla C.1. Estos parametres
deben ser obtenidos con el mismo impulse. Este puede ser lIevado a cabo mediante una
aproxirnacion a una exponencial de corriente decreciente con T2 en el rango de 350 J . . I S .
Los pararnetros de prueba relevantes para la sirnulacion de la descarga larga (carga Q I y
duracion T) estan dados en la Tabla C.2
Dependiendo de las pruebas y los mecanismos de dana esperados, las pruebas para la
primera descarga corta 0 la descarga larga pueden ser aplicadas individualmente 0 como unaprueba combinada, donde a la descarga larga Ie sigue la primera descarga corta
inmediatamente. La.s pruebas para el arco de fusion deben ser hechas con ambas polaridades.
Tabla C.1. Pararnetros de prueba para la primera descarga carta
N P RParametres de prueba
I II II-IV Tolerancia
Corriente pico (kA) 2 0 0 150 1 0 0 . : ! :0 %
Carga Omrta (C) 1 0 0 7 5 5 0 . : ! : . 2 0 %
Energia especifica WIR (kJID) 1 0 0 0 0 5 6 2 5 2 5 0 0 . : ! : 3 5 %
Tabla C.2. Parametres de prueba para descargas largas
Parametres de pruebaNPR
ToleranciaI II III-IV
Carga Qlarga 2 0 0 1 5 0 1 0 0 + 2 0 %
Duraci6n T (5) 0 , 5 0 , 5 0 , 5 . : ! : . 1 0
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Interruptor
de inicio L
I~20 ~lF
R,=0,1n
Interruptor
de corto
circuito
r160 kV
tension de
carga UL
La simulaci6n de ~uelrPo eon el numeral C.2
eombinaci6n con la aci6n del numeral C.1.
LGenerador de corriente _Jpara larga descarga
NOTA
Figura C.1. prueba para la simulacion de lay la carga de la descarga
especifica de la primera
La pendiente de
instalados cerca
nte inducidas en lazos
para la simulaci
generadores de mli l iDalusados para
directo de rayo
descarga corta su •• "n
ento de la corriente /J i
P • • ..etI'OS de prueba relevantes
bla C.3. Ejemplos de los
, los cuales pueden ser
'ada eon un impaeto
descarga corta y una
NOTA cola de la corriente no tiene
Para informacion adicional sobre parametres de pruebas simulando los efeetos del rayo en los
componentes de un SIPRA, vease el Anexo D.
Tabla C.3. Ejemplo de generador de prueba para la simulaci6n de la energia especffica de la primeradescarga corta y la carga de la descarga larga
NPRParametres de prueba
I II III-IV Tolerancia
Primera descarga cortai J . i (kA) 200 150 100 :!:_10 %
Ll t (us) 10 10 10 :! :_20%
Oescargas subsecuentes cortasiJ.i (kA) 54 40,5 27 : ! :_10%
iJ.t (us) 0,4 0,4 0,4 :!:_ 20 %
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Figura C.2. Definicion para la pendiente de la corri.ente de acuerdo con laTabla C.3
2 ~H 0,25 o
9 ~H
300 kV
tension de
carqa U L
0,1 n
Generador de corriente
NOTA Los valores aplican para NPR I
Elemento de prueba
Figura C.3. Ejemplo del generador de prueba para la simulaci6n de la pendiente del frente de la pnmera
. descarga corta
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2 flH 0,25 n
300 kVtensi6n de
carga UL
Generador de corriente Elemento de prueba
Figura C.4. de prueba para la simulaci6ndescargas subsecuentes
del frente de
NOTA Los
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ANEXO D
(Informativo)
PARAMETROS DE PRUEBA PARA SIMULAR LOS EFECTOS DE LOS RAYOS SOBRE
COMPON,ENTES DE UN SIPRA
0.1 GENERAL
Este anexo presenta los parametres basicos para ser usados en un laboratorio para simular los
efeetos de los rayos. EI Anexo D cubre todos los componentes de un SIPRA sujeto a toda 0 a
una gran parte de las corrientes de rayo y debe ser usado conjuntamente con las normas que
espedfican los requerimientos y las pruebas para cada componente especifico.
NOTA Los parametres relevantes para. los aspectos relacionados can el sistema (par ejemplo, para lacoordinacion de dispositivos de protecci6n contra Sobretensiones DPS) no son considerados en este Anexo.
D.2 PARAMETROS DEL RAYO RELEVANTES EN EL PUNTO DE IMPACTO
Los parametres del rayo relevantes que juegan un papel importante en la integridad flsica de
un SIPRA son, en general, la corriente pica I, la carga Q, la energia especifica WIR,la duracion
T y la pendiente promedio de la corriente dildt. Cad a pararnetro tiende a dorninar diferentes
mecanismos de falla como se analizara en la siguiente secci6n. Los parametres del rayo a ser
considerados para prueba son combinadones de estos valores, seleccionados para
representar en laboratorio el mecanismo de Iia falla real de una parte del SI PRA que esta
siendo probado. Los criterios parala selecci6n de las principales cantidades son dados en el
numeral 0.5 ..
La Tabla D.1 presenta los valores maximos de L Q , WIR, T Y dildt para ser considerados en las
pruebas, como una funci6n del nivel de protecci6n requerido.
0.3 REPARTICION 0 PRORRATEO DE CORRIENTE
Los parametres dados en la Tabla 0.1, son relevantes para las corrientes de rave en el punto
de impacto. De hecho la corriente fluye a tierra a traves de mas de un camino, tantos como
conductores bajantes y conductores naturales se presenten en el SIPRA y diferentes servicios
que estan normalmente disponibles entrando a la estructura protegida (tuberias de agua y gas,
redes de comunicaciones y energia, etc.). Para la determinaci6n de 105 parametres de la
corriente real fluyendo en componentes especificas de un SIPRA,la reparticion 0 prorrateo de
la corriente debe ser ten ida en cuenta. Preferiblemente, la amplitud de la corriente y la forma de
onda a traves de un componente en un punto especifico de un SIPRA deben ser evaluadas.
Cuando una evaluaci6n no sea posible, los parametres del rayo pueden ser evaluados por
medio de los siguientes procedimientos.
Para la evaluaci6n de la repartici6n de corriente dentro del SIPRA externo, puede ser adoptado
el factor de configuraci6n kc (vease la NTC4552-3, Anexo C). Este factor da el prorrateo delacorriente de rayo ftuyendo por los conductores bajantes del SIPRA externo bajo las peores
condiciones
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Tabla 0 . .1. Resumen de los parametres del rayo para considerar en el calculo de los valores de prueba para los
diferentes componentes de un SIPRA y para diferentes NPR
Componentes
Terminales de
captacion
TerminaJes de
captacicn y
conductores
bajantes
Conexi ones
Puesta a tierra
DPS con spark
gaps
DPS de 6xidos
rnetallcos
Principales
problemasParametres del rayo peligrosos Notas
Dimensionar
con
NTC 4552-3
Dimensionar
por aspectos
rnecanicos y
quimicos
Aplicar I, Qcorto
WIR impulso
simple. T<2ms,
aplicar .6.illIt
pulsos
Deben
exarrunarseambos
aspectos
Deben
considerarse
pruebas
independientes
Las aproximaciones descritas anteriormente son aplicables para la evaluaci6n del valor pica de la
corriente fluyendo por un camino particular a tierra. EI calculo de los otros parametres de la
corriente son evaluados como sigue:
Erosion en el
punto de
acople ( parametales
delgados)
Calentamiento
ohrnico II
III-IV
150
100
II
III-IV
150
100
46
(0.1)
(0.2)
(0.3)
(0.4)
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en donde
Xp valor de la cantidad considerada (corrienle pico fp, carga O p , energia especifica (WIR)p, pendientede la corriente (dlldt)p) relevante para un camino particular a tierra "p" ,
x; valor dela cantidad considerada (corriente I, carga 0, energia especifica (WIR) , pendiente de lacorriente (dildt)) relevante para la corriente total
k: factor de prorrateo de ta corriente
k c factor de prorrateo para el SIPRA externo (vease la NTC 4552-3 Anexo C)
ke , k, factor de prorrateo en presencia de partes conductoras externas y redes de energia 0
telecomunicaciones entrando a la estructura protegida (vsase la NTC 4552-2, laNTC 4552-3, Anexo A).
0.4 EFECTOS OE LOS PARAMETROS DEL RAYO
0.4.1 Efectos termicos
Los efectos terrnicos relacionados con los parametros del rayo son relevantes para el
calentamiento resistivo causado par la circulaci6n de una corriente electrica fluyendo a traves
de un conductor 0 dentro de un SIPRA y par el calor generado en la base de los arcos en elpunto de acople 0 impacto y en todas las partes aisladas de un SIPRA envuelto en el desarrollo
del arco (por ejemplo "spark gaps").
0.4.1.1 Calentamiento resistivo
EI calentamiento resistivo se presenta en cualquier componente de un SIPRA portando una
parte significativa de la corriente del rayo. EI area transversal minima de los conductores debe
ser 10suficiente para prevenir sobrecalentamientos de los conductores y peligros de fuego a su
alrededor. Aoernas de los aspectos terrnicos, tam bien los esfuerzos rnecanicos y criterios de
durabilidad deben ser considerados para las partes expuestas a condiciones atrnosfericas de
corrosi6n. La evaluaci6n del conductor calentado, debido a corrientes de rayo fluyendo, es
algunas veces necesaria cuando los problemas pueden aumentar debido al riesgo de lesiones
personales y de fuego 0 darios por explosi6n.
A continuaci6n se da una guia para evaluar el aumento de la temperatura de los conductores
sometidos al flujo de una corriente de rayo.
Una aproximaci6n analitica se presenta a continuaci6n:
La potencia instantanea disipada como calor en un conductor debida a una corriente electrica es:
(0.5)
La energia terrnica generada por el pulso completo de corriente es, entonces, la resistencia
6hmica del camino del rayo a traves del componente del SIPRA considerado, multiplicado por
la energia especifica del pulso y es expresada en Julios 0 Vatios-sequndos
(0.6)
En una descarga electrica atmosferica las fases altas de la energia especifica del rayo son de
muy corta duraci6n para cualquier calor generado en la estructura y ser disipada
significativamente. EI fen6meno debe ser, entonces, considerado como adiabatico
4 7
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La temperatura de los conductores del SIPRA puede ser evaluada como sigue:
(0.7)
en donde
e - e o
a
WIR
o o
q =
r
cw
e s
cs:
aumento de temperatura de los conductores [K]
coeficiente de temperatura del conductor [ 1 1 K ]
energia especifica de los conductores [J/D]
resistencia 6hmica especifica del conductor a temperatura ambiente [D.m]
En la Tabla D.2
en la ecuaci6n (D
manera de ejemp
fabricados de dif~_~
transversal.
secci6n transversal del conductor [m2]
ffsicos reportados
s.1I!~U La Tabla D.3 presenta, a
peratura de conductores
del area de la seccion
La descarga ti
50 %, aproximadctl ••
efecto piel debe t • • 1 ( i
con componentes
dinamica de los cql~~q>rElstransversal del .......,_.........-
piel al aumentar la IbllrnN~r~t
radon {valor del tiempo al
estas circunstancias, el
SilJ~.~"'I(l~,~~"~~.''_''~.'''I-'~~~ practices asociadospermeabilidad rnaqnetica
(area de la secci6n
~.ttoiatl~ la contribuci6n del efecto
La componente de
descarga de retorno.
Tabla D.2. Caraeteristicas f isieas de materiales t ipicos usados en componentes de un SIPRA
Material
Cantidad Aluminio Aeero templado Cobre Acero inoxidable (*)
P o [D.m) 29.109
120.10-9
17,8_10-9
0,7.10-6
a [ 1 1 K ] 4.10-3 6,5.10-3 3,92.10-3 0,8.103
y [kgfml 2700 7700 8920 8103
8. [ 0C) 658 1530 1080 1500
Co [J/kg] 397.103
272.103
209_103
-
C", [J/kgK) 908 469 385 500
(*) no rnaqnetico. -
Tabla D.3. Aumento de temperatura para eonduetores de dlferentes seectones como una funcion de Wig
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N O R M A T ~ C N ~ A C O L O M B ~ N A N TC 4 55 2- 1
Material
Secci6n Aluminio Acero templado Cobre Acero inoxidable (o JTransv.
[mm2] WIR [MJ/!1] WIR [MJIQ] WIR [MJ/Q] WIR [MJIQ]
2,5 5,6 10 2,5 5,6 10 2,5 5,6 10 2,5 5,6 10
4 - - - - - - - - - - - -
10 5 64 - - - - - 1 69 54 2 - - - -
16 14 6 4 5 4 - 1 1 2 0 - - 5 6 1 43 3 0 9 - - -
25 52 13 2 28 3 2 11 9 1 3 - 2 2 5 1 9 8 9 40 - -
50 1 2 2 8 5 2 3 7 9 6 21 1 5 1 2 2 2 19 0 4 6 0 94 0
100 3 7 12 9 20 3 7 1 3 5 4 5 100 190
(0 ) no maqnetico
0.4.1.2 Dafio en el punto de acople termico
EI dano en el punta de acaple terrnico puede ser observado sobre todas las camponentes de
un SIPRA sobre el cual se desarrolla un areo, por ejemplo sistemas de captacion, vias de
chispa(Spark-Gaps),
etc.
La fusion y erosion del material puede ocurrir en el punta de acople; de hecho, en el area de la
base del arco existe una entrada terrnica alta del arco mismo, asi como una concentraci6n de
calentamiento ohmico debido a la alta densidad de corriente. Mucha de la energia terrnica es
generada en a muy cerca de la superficie del metal. EI calor generada en las inmediaciones del
area base es tan alto que puede ser absorbida par el material por conducci6n y el exceso se
pierde en fusi6n 0 vaporizacion del material 0 es irradiado. La severidad del proceso esta
relacionado con la amplitud de la carriente y la duracion.
0.4.1.2.1 General
Se han desarrallado varios modelos teoricos para el calculo de los efectos terrnicos en el punto
de acople del canal de la descarga sabre superficies metallcas, En aras de lograr simplicidad,este documento presenta solamente el modele de caida de tension anode - 0 - catodo. La
aplicaci6n de este modelo es particularmente efec1iva para metales delgados. En todos los casas
los resultados son conservativos, debido a que el modele postula que toda la energia inyectada
en el punto de acople de la descarga es usada para fusionar 0 vaporizar el material conductor,
despreciando la difusi6n de calor dentro del material. Otros modelos introducen la depend enc ia
del dana en el punta de acople de la descarga en la duraci6n del impulso de la corriente.
0.4.1.2.2 Modelo de caida de tension Anodo - 0- Catodo
La enerqia de entrada W en la base del arco se asume como dada por la caida de tensi6n
anodo-catodo Uacmultiplicada por la carga Q de la corriente del rayo.
( 0 . 8 )
Como Ua.c es practicarnente constante en el rango de corriente considerado aqui, la carga de la
corriente de rayo (Q) es la principal responsable por la conversion de energfa en la base del
arco.
La caida de tension en el anodo-catodo Uac tiene un valor de pocas decenas de voltios,
4 9
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Una aproxirnacion simplificada asume que toda la energia desarrollada en Ia base del area es
usada solo para fusion. La siguiente eeuaci6n (0.9) usa esta suposicion pero tleva a una
sobreestimaci6n del volumen fusionado.
(0.9)
en donde
v volumen del metal fusionado [ml
Ua,c = calda de tensi6n anodo-catodo (asumida como constante) [V]
Q ;;: carga de la corriente del rayo [C]
materiales us;ad'o$
Basicamente, la c : i :1
iiMii:ll
continua del rayo!:~_.
son de menor im~lW~
e,
y
acion, para diferentes
e$1~. de retorno y la corriente
~:nar.f)ifi." ' idfij[qile.. s de la carga de retorno
n1~~a:t:on(;fOs:~~__ ~'Nfl~~~ije~ contin ua.
Los efectos mElcamcldS causados par Ia {y,''ri.nt. daL:nMi f : • . d_enclJen de la amplitud y su
caracteristicas elasti '. ica afectada y de las
IL;IlJl'L...L'L_ ndo entre las partes de can otro, si este ultimo
ndo corrient.e 0 si uno de los
es relevante.
Las fuerzas rnaqneticas ocurren entre 2 conductores
conductores forma una esquina 0 un lazo.
Cuando una corriente fluye a traves de un circuito, laarnplltud de las fuerzas electrodinarnicas
desarrolladas en varies sitios del circuito, depende tanto de la amplitud de la corriente del rayo
como de la configuraci6n geometrica del circuito. Los efectos mecanicos de estas fuerzas, siembargo, dependen no solo de su amplitud, sino de la forma general de la corriente y su
duracion, as! como de la confiquracion geometriea de la instalaci6n.
D.4.2.1.1 Fuerzas electrodi namicas
Las fuerzas electrodlnamicas desarrolladas par una corriente i fluyendo dentro del conductor
que tiene una longitud paralela 1 y una distancia d (lazo largo y pequerio) se muestran en la
Figura 0.1 y pueden ser calculadas usando la siguiente ecuaci6n:
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()1i0l I -7 .2 I
F t =_., c/l·- =2·10 '1 d/-2 J [ d d
(0.10)
en donde
F(l) fuerza electrodinarnica [N]
corr iente [A]
~III permi tividad rnaqnetica del aire (4TT10·7HIm)
I: longitud de los conductores [m]
d distancia entre la secci6n recta paralela del conductor [m]
i--
•
d
d
I P -i
I a - I
Figura D.1. Arreglo genera.1de dos conductores para el calculo de fuerzas electrodinarnicas
Un tipico SIPRA consta de un arreglo simetrico de conductores, formando un anqulo de 90° uno
con otro, con una abrazadera colocada cerca de la esquina, como se muestra en la Figura D.2. EI
diagrama de esfuerzos para esta configuraci6n se presenta en la Figura D.3. La fuerza axial
sobre el conductor tiende a halar el conductor hacia fuera de la abrazadera. EI valor numerico
de la fuerza a 10largo del conductor horizontal, considerando un valor de corriente pico de 100 kA y
una longitud de un conductor vertical de 0,5 m, se muestra en la Figura DA.
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I'
F
Figura 0.3. Diagrama de los esfuerzos para la configuraci6n de la Figura 0.2
5 2
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60,-----------------------------------~
70
60
50
40
30
20
10
o+-----~------_.------._------._----~
0,1 0.2 0.3 0,4 0,5
L m
NOTA Valor pica de corriente 1OOkA Y longitud vertical del conductor Q.5m.
Figura 0.4 Fuerza par unidad de longitud a 10 largo del conductor horizontal
de la Figura 0.2
0.4.2.1.2 Efectos de fuerza Electrodinamicas
En termlnos de amplitud de la fuerza aplicada, el valor instantaneo de la fuerza
electrodinarnica, F(I}, es proporeional al cuadrado de la corriente instantanea m/. En terrninosdel esfuerzo desarrollado dentro de la estructura rnecanica del SIPRA, expresado por el
producto art) *k de la deformaci6n elastica a(t). por la constante elastica k de la estructura del
SIPRA, dos efeetos deben ser considerados. La frecuencia rnecanica natural (vinculado eon el
comportamiento elastico de la estructura del SIPRA) y la deforrnacion permanente de laestructura del SIPRA, (relacionada con su comportamiento plastico) son los para metros mas
importantes. Adicionalmente, en muchos casos el efecto de las fuerzas de frieci6n dentro de la
estructura es de granimportancia.
La amplitud de las vibraciones de la estructura elastica del SIPRA causada por una fuerza
electrodinarnica desarrollada por la corriente del rayo, puede ser evaluada por medio de
ecuaciones diferenciales de segundo orden; el factor clave a este respecto es la relacion entre
la duracion del impulso de corriente y el periodo de la oscilacion natural de la estructura del
SIPRA. La condicion tipica encontrada en un SIPRA consiste de periodos de oscilaci6n natural
de la estructura mucho mayores que el de la fuerza aplicada (duracion del impulso de
corriente). En este caso el maximo esfuerzo rnecanico ocurre despues de que termina el
impulso de corriente y tiene un valor pico que se mantiene mas bajo que el de la fuerza
aplieada y puede, en muchos cases, ser despreciada.
La deformaci6n plastica ocurre cuando el esfuerzo extensible supera el limite elastico del
material. Si el material de la estructura del SIPRA es blando. como el aluminio 0 el cobre
recocido, las fuerzas electrodinarnicas pueden deformar los conductores en las esquinas y
lazos. Los componentes del SIPRA podrian, entonees, ser disenados para soportar estas
fuerzas y mostrar eseneialmente un eomportamiento elastico.
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EI esfuerzo rnecanico total aplicado a la estructura de un SIPRA depende de la integral de
tiempo de la fuerza aplicada y, por 1 0 tanto, de la energia especifica asociada con el impulso de
corriente, pero tam bien de la forma de onda del impulso de la corriente y su duraci6n
(comparada can el perfodo de la oscilacion natural de la estructura). Toda esta influencia de
parametres debe, entonces, ser tenida en cuenta durante las pruebas.
0.4.2.2 Danos por ondas de choque acusticas
Cuando una corriente de rayo fluye en un arco, se produce una onda de choque. La severidad
del choque depende del valor pico de la corriente y la rata de aumento de la corriente.
En general, el dana debido al valor de la onda del choque acustlco es insignificante en partes
metalicas del SIPRA, pero puede causar danos en componentes eercanos.
presion de Int,::.rt,:>"'II.·lIII.
presion de inespecifica y, por Ided);1
En la practica
calentamiento
ablandar los
rnecarucos como terrnicos
tes del material (varillas, 9
rrir darios mucho may
conductor podria fundiion transversal d
simultanearnente. Si el
etc.) es suficiente para
dane que puede ocurrir
r danos considerableses suficiente para portar
ridad mecanica,
0.4.3
18111_ :1::nambientes inflamables;
ch~.IS}I.'o son importantes.
_:urI(l' ._iJo·I;J8I'!ISIOlaa de corriente y una
tilu'ft\i;~", esta unida a la energiaes·_)Pl1I.I;Jt)_~rga de retorno.
Las chispas por tA'l''lAiI~h
ejemplo dentro nion, si la tensi6n inducida
entre partes del tension inducida es proporcio
por la pendiente de rriente del rayo. La componente
para la chispa por tensi es, entonces, la descarga negativa
r caminos complejos, por
ex~~cle la tension disruptiva
ntw..etancia mutua multiplicada
de la componente del rayo
ente.
0.5 COMPONENTES DE UN SIPRA, PROBLEMAS RELEVANTES Y PARAMETROS DE
PRUEBA
Los SIPRA son hechos de diferentes componentes, cada uno con una funcion especifica
dentro del sistema. La naturaleza de los eomponentes y el esfuerzo especifico al cual ellosestan sometidos, requieren consideracion especial cuando se realizan pruebas de laboratorio
para examinar su comportamiento.
0.5.1 Terminal de captacion (Air Terminal)
Los efeetos sobre los pararrayos aumentan por los efectos terrnicos y mecanicos (tal como se
discute en el numeral D.5.2, notando que una alta proporcion de la eorriente del rayo fluira en
un conductor de pararrayos impactado) y tarnbien en algunos casas par efectos de erosion por
el arco, particularmente en componentes naturales de un SIPRA como metales delgados
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(donde pueden oeurrir perforaeiones 0 aumento exeesivo de la temperatura en la superfieie) y
eonduetores suspendidos.
Para efeetos de erosi6n por arcos, se deben considerar dos parametres de prueba
principalmente: la earga de la desearga de larga duraei6n y $U duraci6n.
La earga gobierna la energfa de entrada en la base del arco. En particular las descargas de
larga duraei6n pareeen ser las mas severas para este efeeto, mientras que las deseargas de
eorta duraei6n pueden ser despreciadas.
La duraei6n de la corriente tiene un importante papel en el fen6meno de la transferencia de
calor dentro del material. La duraei6n de la corriente aplieada durante las pruebas debe ser
comparable con las descargas de larga duraei6n (0,5 a 1 s).
0.5.2 Conductores bajantes (Down Conductors)
Los efeetos causados por impactos de rayos sobre los conductores pueden ser divididos en 2
eategorias:
Efeetos termicos debido a calentamiento resistivo
Efeetos rnecanicos relaeionados con la interaeci6n maqnetica donde la eorriente del
rayo es compartida por conductores coloeados cerea uno de otro 0 euando se presentan
eambios en la direcci6n de la eorriente (curvas 0 eonexiones entre conductores
colocados en un anqulo dado respecto a otro)
En muchos easos estos dos efeetos actuan independientemente y las pruebas de laboratorio
deben ser IIevadas a acabo para examinar cada efecto. Esta aproximaci6n puede ser adoptada
en todos los casos en los cuales el calor desarrollado por la corriente fluyendo no modifica
substancialmente las caracteristicas mecanicas.
0.5.2.1 Calentamiento resistivo
Los calculos y las medidas del calentamiento de los eonduetores de diferentes secciones
transversales y materiales causado por el flujo de una corriente de rayo, ha side publicada por
varios autores y el principal resultado en terrnincs de qraficos y formulas se resume en el numeral
0.4.1.1. Ninguna prueba de laboratorio es, entonces, necesaria, en general, para examinar el
comportamiento de un conductor desde el punto de vista del aumento de temperatura.
En todos los casos para los cuales se requiere pruebas de laboratorio. las siguientes
consideraciones deben ser tenidas en cuenta.
Los principales parametres de prueba a ser considerados en este caso son la energia
especifica y la duraci6n del impulso de corriente.
La energfa especifica gobierna el aumento de temperatura debido al efeeto Joulecausado por el flujo de la corriente de rayo. Los valores nurnericos a ser considerados
son aquellos relevantes a la primera descarga. Los datos conservatives son obtenidos
considerando descargas positivas.
La duraci6n del impulso de corriente tiene una influencia decisiva en el proceso de
intercambio de calor respecto al ambiente eircundante del conductor considerado. En
muchos casos la duraci6n del impulso de eorriente es tan corta que el proceso de
calentamiento puede ser considerado adiabatico.
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0.5.2.2 Efectos mecanicos
Como se discuti6 en el numeral 0.4.2.1 las interacciones rnecanicas son desarrolladas entre
conductores que lIevan la corriente del rayo: la fuerza es proporcional al producto de la
corriente que fluye por los conductores (0 el cuadrado de la corriente si se considera un solo
conductor doblado) y el inverso de la distancia entre conductores.
La situaci6n normal en la cual puede ocurrir un efecto visible es cuando un conductor forma unlazo 0esta doblado. Cuando tal conductor transporta una corriente de rayo, este estara sometido
a una fuerza rnecanica que trata de extender el lazo y a enderezar la esquina y, por 1 0 tanto a
doblarlo hacia fuera. La magnitud de esta fuerza es proporcional al cuadrado de la amplitud de la
corriente. Se debe hacer una clara distinci6n entre la fuerza electrodinarnica, la cual es
proporcional al cuadrado de la amplitud de la corriente, y el correspondiente esfuerzo que
depende de las caracteristicas elasticas de la estructura mecanica del SIPRA. Para estructuras
de un SIPRA de relati ·a frecuencia natural, el esfuerzo rrollado dentro de la estructura
del SIPRA podria blemente menor que la fuerza inarnica. En este case,
ninguna prueba de necesaria, en general, para el comportamiento de un
conductor d desde el punto de vista ientras se satisfagan los
transversal de la prese
io (especialmente para
idas en cuenta. Tres
adas en este caso: la
B1ll_IO de sistemas rfgidos, la
materiales
parametres de I
duraci6n, la ene
amplitud de la cor
La duraci6n del im~.~
de la estructura di;a~'A
desplazamiento.
rnecanica natural
I impulso es la oscilaci6n mecaruca
1MH-.ullllcturadel SIPRA ( ' G . I i I• • ~~el.l_~EM"~li4r1~ de un SIPRA esforzadas), la masa y la ene de desplazamientos
esfuerzos rnecan nan esencialmente a la
es~*lInc~ del impulso de la pulso de corriente tiene
impulso es comparable con, 0 periodo de la oscilaci6n
de la estructura, el desplazaml es mas sensible a la
forma de onda esfuerzo aplicado: en este caso el ico del impulso de corriente y
su energfa especffica necesita ser reproducida durante la prueba.
La energfa especifica del impulso de la corriente gobierna el esfuerzo que causa la
deformaci6n elastica y plastics de la estructura del SIPRA Los valores nurnericos a ser
considerados son aquellos que son relevantes para la primera descarga.
Los valores rnaximos del impulso de la corriente gobiernan la longitud del maximo
desplazamiento de la estructura del SIPRA, en caso de sistemas rigidos, teniendo altas
frecuencias naturales de oscilacion. Los valores nurnericos a ser considerados son aquellos
relevantes para la primera descarga.
0.5.3 Conexiones
Las conexiones entre conductores adyacentes de un SIPRA son puntos rnecaniccs y terrnicos
vulnerables donde pueden presentarse grandes esfuerzos.
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En el caso de un conector colocado de tal manera que hace un anqulo recto con otro
conductor, el principal efecto del esfuerzo tiene que ver con fuerzas mecanicas que tienden a
enderezar el conductor con fuerzas de friccion interactuando entre los componentes con
posibles desarrollos de arcos en los puntas de contacto de las diferentes partes.
Adicionalmente, el efecto de calentamiento causado per la concentraci6n de corriente sobre
pequenas superficies de contacto no es despreciable.
Pruebas de laboratorio han mostrado que es dificil separar eada uno de los efectos que se dan
como un sistema sinerqico: el esfuerzo rnecanico se ve afectado por fusiones locales del area
de contacto, desplazamientos relativos entre partes de la conexi6n estimula el desarrollo de
areos y la consecuente generaci6n intensa de calor, etc.
Ante la ausencia de un modele valido, las pruebas de laboratorio deben ser elaboradas de tal
forma que representen los parametres del rayo 1 0 mas cercano posible a una situaci6n critica:
los parametres del ray a deben ser aplicados por medio de una prueba electrica sencilla.
Tres parametres deben ser considerados en este caso: la corriente pica, la energia especifica y
la duracicn del impuso de la corriente.
Los vala res rnaximos del impulsos de la corriente manejan la fuerza maxima 0, si despues deun impulso electrodinarnico que excede la fuerza de fricci6n, la langitud del maximo
desplazamienta de la estructura de un SIPRA. Los valores nurnericos a ser considerados son
aquellos que son relevantes para la primera descarga. Los datos conservativos san abtenidos
considerando descargas positivas.
La energia especifica del impulso de la corriente maneja el calentamienta de las superficies en
contacta, donde la corriente esta concentrada sobre areas pequerias. Los valores nurnericos a
ser considerados son aquellos relevantes para la primera descarga. Los datos conservativos
son obtenidos considerando descargas positivas.
La duraci6n del impulse de corriente maneja el desplazamiento maximo de la estructura,
despues de que las fuerzas de fricci6n son exeedidas y tienen un importante papel en el
fen6meno de transferencia de calor dentro del material.
0.5.4 Puesta a tierra de proteccion contra rayos
Los problemas reales con los electrodos de puesta a tierra estan relaeionados con la corrosion
qufmica y los dafios mecanicos causados por otras fuerzas electrodinarnicas. En casas
practices, la erosion del electrodo de puesta a tierra en el origen del arco es de menor
importaneia. Sin embargo, debe considerarse que, contrario a los pararrayos, un SIPRA tlpico
tiene varias puestas a tierra, por tanto, las corrientes de rayo se eomparten entre varios
electrodos que causan efeetos menos importantes.
Dos parametres importantes de prueba deben ser considerados en este caso: la carga del
impulso de corriente de larga duraci6n y su duracion.
La carga maneja la energia inicial del origen del areo. En particular, la contribuei6n de la
primera descarga puede ser despreciada, mientras los impactos de larga duracion parecen ser
los mas severos para este componente.
La duraci6n del impulso de corriente tiene un impartante papel en el fen6meno de transferencia
de calor dentro del material. La duraci6n del impulso de corriente aplieado durante las pruebas,
debe ser comparable con las descargas de larga duracion (0,5 s a 1 s).
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0.6 DISPOSITIVOS DE PROTECCION CONTRA SOBRETENSIONES (DPS)
EI efecto del esfuerzo sobre un DPS causado por rayos depende del tipo de DPS considerado,
en particular con la presencia 0 ausencia de espacios (Gap).
0.6.1 DPS que contienen espacios (Spark Gaps)
Los efectos sobre Spark Gaps causados por rayos pueden ser divididos en dos grandes
categorias:
La erosion de los electrodos por calentamiento, fusion y vaporizaci6n del material.
Los esfuerzos rnecanicos causados por la onda de choque de la descarga.
Es extremadamente d
con los principales
investigar separadamente estos <>f<>,.,t,.,<:>,mbos estan relacionados
del rayo por medio de relaci plejas.
Para Spark Gaps
10 mas aproxim
parametres ap
boratorio deben ser realizad I forma que representen
metros del rayo en la mas critica: todos los
cados por medio de un •• jz o electrico simple
Cinco param<>tnn<:>r.-
energia especifi
EI valor pico de
a ser consideradlc)l~" a~1:fittil.~~,..~ .. * 1 a t . 1 ~
__ Ie. Los valores nurnericos
eS~*4iJl1tllLos datos conservativos
considerados
corriente de larg!" ..,~-=."l'
configuraci6n del $ t I t e n ' t i a
y vaponzara parte del
aR:o:~J,tM,~valores numericos a ser
rticular, la carga de la
, dependiendo de la
la corriente maneja el f~IiM'rlAnn
consiguiente propaqacion
La energia espec impulso de la corriente ma 'on auto maqnetica del
arco y la fisica del del electrodo desarrollada se entre la superficie del
electrodo y el arco, al puede apagar por soplado una significante de material
fusionado. Los valores nurnericos a ser considerados son aquellos relevantes de la primera
descarga. Los valores conservativos son obtenidos considerando las descargas positivas.
NOTA Para Spark Gaps usados en sistemas de patencia, la posible frecuencia industrial de la corriente constituyeun importante factor de esfuerza a ser tenido en cuenta.
0.6.2 DPS construidos con oxides metallcos
EI esfuerzo de varistores rnetalicos causado par rayos puede ser dividido en dos principales
categories sobrecarga y flameo. Cada categorfa esta caracterizada por modos de falla
generados por diferentes fen6menos y manejados por diferentes parametres. La falla de un DPS
de oxides rnetalicos esta relacionada con sus caracterfsticas debiles, por 1 0 tanto es improbable
que la sinergia entre diferentes esfuerzos fatales pueda ocurrir. Parece entonces aceptable lIevar
a cabo pruebas separadas para examinar el desarrollo bajo cada condicion de falla.
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Las sobrecargas son causadas por una cantidad de energia absorbida que excede la
capacidad del dispositivo. La excesiva energia considerada aqui esta relacionada al esfuerza
mismo del rayo; sin embargo, debe considerarse que, para DPS conectados a sistemas de
energia, la corriente inyectada al dispositlvo por el sistema de energia, despues de terminar
el fluja de corriente 0 par inestabilidad termica bajo la tension aplicada relacionada can el
eoeficiente negativo de temperatura de la caracteristiea tension-corriente de la resistencia,
puede tarnbien jugar un papel importante en el dana letal del DPS.
Para la simulaci6n de la sobrecarga de varistores de oxides metalicos un pararnetro importante
a ser considerado es la carqa.
La carga maneja la energia inicial en el bloque de resistencias de oxides rnetalicos,
considerando como una constante la tensi6n residual del bloque de resistencias. Los valores
nurnericos a ser considerados son aquellos relevantes a la primera descarga.
Los flameos y fracturas son causadas par la amplitud del impulso de corriente que excedela
capaeidad de las resistencias. EI modo de falla es evidenciado generalmente par un flameo
externo a 11 0 largo del collar de resistencias, algunas veces penetrando el bloque causando una
fractura 0 un orificio perpendicular al collar. La falla esta principalmente relacionada con un
calapso dielectrico del collar del bloque de resistencias.
Para la simulaci6n del fen6meno del rayo, se deben considerar principalmente dos para metros:
el valor maximo y la duraci6n del impulse de la corriente.
EI valor maximo del impulso de la corriente determina, a traves del correspondiente nivel de
tension residual, si la rigidez maxima dielectrics sobre el collar de resistencias es excedida. Los
valores numericos a ser eonsiderados son aquellos relevantes a la primera descarga. Los datos
conservativas son obtenidos considerando descargas positivas.
La duraci6n del impulse de la corriente maneja la duraci6n de la aplicacion del esfuerzo
dielectrico del collar de resistencias.
0.7 RESUMEN DE LOS PARAMETROS DE PRUEBA A SER ADOPTADOS ENPRUEBAS DE COMPONENTES DE SIPRA
La Tabla 0.1 resume los aspectos mas criticos de cada componente de un SIPRA durante el
comportamiento de su funci6n y da los para metros del rayo a ser reproducidos en pruebas de
laboratorio.
Los valores numericos dados en la Tabla D.1 son relevantes a los para metros del rayo de
importancia en el punto de impacto.
Los valores de prueba deben ser calculados considerando la corriente compartida la cual
puede ser expresada par medio del factor de corriente compartida como se explica en el
numeral 0.3.
Los valores numericos de los parametres a ser usados durante las pruebas pueden, entonees,
ser caleulados sobre la base de los datos dados en la Tabla D.1, aplicando los facto res de
reducci6n relacionados can la corriente compartida, como esta expresada en la f6rmula
reportada en el numeral 0.3.
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ANiEXO E
(Informativo)
SOBRETENSIONES DEBIDAS A IMPACTOS DE RAYOS EN DIFERENTES
PUNTOS DE LA INST ALACION
E.1 GENERALIDADES
Para el dimensionamiento de los conductores, DPS y otros dispositivos, el peligro debido a
sobretensiones en alqun punto de la mstalacion 0 de sus componenles puede ser
determinado. Las sobretensiones se pueden oriqinar par corrientes (parciales) de rayo y par
efeetos de inducci6n en lazos existentes dentro de la instalaci6n. EI peligro debido a estas
sobretensiones debe ser menor que la rigidez dielectrica de los componentes usados en la
proteccion (Ia rigidez es nida en pruebas adecuadas para . disposltivo).
Si
externas y lineas
E . .2 IDAS A IMPACTOS A (FUENTE DE
rminales del sistema de
a por medio de DPS
(E.1)
ncional de puesta aaereas, en los casas
10(enterramientos).
·.ulht." ....aneas, 0 la resistencia
···n!!:InP·C;: aereas se encuentren
Para cada tipo de instalaci6n, ke se puede calcular como:
instalaciones subterraneas: (E.2)
instalaciones aereas: (E.3)
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en donde
Z es la impedancia convencional de los terminales de conexi6n del sistema de puesta a t ierra
Z, es la impedancia convencional de puesta a tierra de partes externas 0 de lineas subterraneas
(Tabla E.1).
Z 2 es la resistencia de la configuraci6n de puesta a tierra de las lineas aersas. Si la resistencia depuesta a tierra del punta no es conocida, el valor de Z1 mostrado en la Tabla E.1 puede ser usado(donde la resistividad es relevante en el punto de puesta a tierra).
NOTA Este valor es asumido en la formula anterior en cada punto de puesta a tierra. Si este no es el caso,ecuaciones mas complejas deben ser usadas.
III es el nurnero total de partes externas 0 lineas que son subterraneas
/12 es el numero total de partes externas 0 lineas que son aereas
es la corriente de rayo relevante para cada NPR considerado
Tabla E .1 Valores de impedancia convencional de puesta a tierra Z y Z, de acuerdo con laresistividad del suelo.
z[n]
p Zl Impedancia convencional de puesta a t ierra relativa a cada
[O·m] [0] NPR
I II III-IV
5100 8 4 6 10
200 11 10 10 10
500 16 4 6 10
1000 22 15 15 15
2000 28 4 6 103000 35 20 40 60
NOTA Los valores reportados en esta tabla hacen referencia a la impedancia convencional de
puesta a tierra de un conductor enterrado, bajo una onda impulso (10/350~s)
Asumiendo como una primera aproxirnacion que la mitad de la corriente de rayo fluye en los
terminales de conexi6n del sistema de puesta a tierra y que Z,=Z2, el valor de ke puede ser
evaluado para una parte externa conductora a para una linea como:
(EA)
Si las lineas entrantes (ej. lineas electricas a de telecomunicaciones) no se encuentran
apantalladas a dentro de ductos metalicos. cada uno de los n' conductores Ilevan una parte
igual de la corriente de rayo
k': = kee 11 '
(E.5)
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siendo n' el numero total de conductores.
Para lineas apantalladas afianzadas a la entrada, los valores de corriente por cada n' conductor
de la acometida apantallada esta dado por:
(E.6)
en donde
Rs es la resistencia ohrnica por unidad de longitud del apantallamiento
Rc es la resistencia 6hmica por unidad de longitud del conductor interior
NOTA 'mar el efecto del apantaHamiento en conducci6n de la corriente de rayoel cobre y la pantalla.
rayo en las lineas de
Para calculos d
la sobretensi6n:
y la forma de onda de
ente y las caracteristicas
.~l IiP~ - .~_~~~!f!!!tm. una impedancia de N muchosJ.,_:ariM ida par el conductor N yel otro
. L1. L2 Y L3 tienen la misma;tdIiI'\'II!nIA Jatl_nalmliOn dAN1r1F1p.ntp. (25 % cada uno).
sf"(Jl{!n.ortl"; lJ)!M~m:Jnfluenciar la reparticion de
tl'~nstom"lof.'_El·p:rot~9gido con DPS);
tierra del! trasformador y
...,.. .'''"', ticion de corriente (a
.~r""..",,,, '. .~ fluye al sistema de baja
usuarios en paralelo ocasionan una reducci6n de la impedancia efectiva del sistema de
baja tension, 10cual puede incrementar la porci6n de la corriente de rayo que fluye en
dicho sistema.
E.3 SOBRETENSIONES RELACIONADAS CON ACOMETIDAS DE SERVICIOS
CONECTADAS A LA ESTRUCTURA
E.3.1 Sobretensiones debidas a impactos en la acometida de servicios (Fuente de dana
53)
Para impactos directos en la acometida de servicios, la particion de la corriente de rayo en
ambas direcciones de la acometida y la faJla del aislamiento deben ser tenidas en cuenta.
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La seleccion del valor de limp puede basarse en valores dados en la Tabla E.2 donde los valores
usuales de limp estan asociados con los niveles de proteccion contra rayos NPR
Tabla E.2. Sobrecorrientes esperadas debidas a Impactos de rayo
Sistema de Baja Tension Uneas de Telecomunicaciones
Impacto en la Impacto Cerca de, 0 Impacto en la Impacto Cerca de, 0cerca de la cerca de laacometida de
acometida deenla acometida de
acometida deen la
servicloservicro
estructura servicioservicio
estructura
Fuente de Fuente de Fuente de Fuente de Fuente de Fuente de
dana S3 dana S4 dana S1 0 S2 dano S3 dana S4 dana S2
NPR(impacto (impacta (corriente (impacto (impacto (corriente
directo) indirecto) inducida solo directo) indirecto) inducida)
para S1)
Forma de Forma de Forma de Forma de Medida: Forma de
onda: onda: onda: onda: 5/3OOfls onda:
1 0 J 3 5 0 f l s 8/20ps 10/350flS 10/350).15 (estimada: 8/20~lS
8J20~lS)
( k A ) (kA) (kA) ( k A ) ( k A ) ( k A )
III-IV 5 2,5 0,1 1 0,01 (0,05) 0,05
I - II 10 5 0,2 2 0,02 (0,1) 0,1
Para llneas apantalladas, los valores de las sobrecorrientes dados en la Tabla E.2 pueden ser
reducidos en un factor de 0,5.
NOTA Esto se hace asumiendo que la resistencia de la pantalla es aproximadamente igual a la resistencia enparalelo de todos los conductores de la acometida de servicio.
E.3.250bretensiones debidas a impactos cerca de la acometida de servicio (Fuente de
dana 54)
Las sobretensiones relacionadas can impactos eerea de la acometida de servicio tienen menorenergia que aquellas asociadas eon impactos en la acometida de servicio (fuente de dana 83).
Valores de sobrecorriente esperados, asociados eon un especffieo NPR son dados en la Tabla E.2.
Para lineas apantalladas los valores de la sobrecorriente dados en la Tabla E.2 pueden
reducirse en un factor de 0,5.
E.4 50BRETEN510NES DEBIDA5 A EFECT05 INDUCTIV05 (FUENTE DE DANO 51 0 52)
Las sobretensiones debidas a eteetos inductivos de campos rnaqneticos, generados par
impaetos de rayos cereanos (fuente de dana S2) 0 por corrientes de rayo tluyendo en DP8
externos 0 del apantaliamiento espacial en una ZPR 1 (fuente de dario 8,), tienen una forma de
onda de corriente ttpica 8 / 2 0 ~ s Tales sobretensiones deben ser consideradas eerca de 0 en
los terminales de los dispositivos ubicados dentro de una ZPR1 yen los limites de una ZPR 1/ 2.
E.4.1 Sobretensiones dentro de una ZPR1 no apantallada
Dentro de una ZPR 1 no apantallada (Ej. protegida solo par un SIPRA externo de acuerdo con
la NTC 4552-3 con espaciamiento mayor a 5 m) altas sobretensiones, relativamente, puede ser
esperadas debidas a los efeetos de induccion de los campos maqneticos no atenuados.
Las sobrecorrientes esperadas, asociadas con un nivel NPR especifico son dadas en la Tabla E.2.
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E.4.2 Sobretensiones dentro de zonas ZPR apantalladas
Dentro de ZPR con un adecuado espacio de apantallamiento (requiere de un espaciamiento
menor a 5 m de acuerdo con la normatividad nacional vigente 0 en su defecto la norma
IEC 62305-4 0 los documentos normativos IEEE C62.41-1 e IEEE C62.41-2 0 la normatividad
UIT serie K), la generaci6n de sobretensiones debidas a efectos de inducci6n por campos
maqneticos es fuertemente reducida. En tales casos, las sobretensiones son mucho menores
que las obtenidas en elliteral E.4.1.
EI efecto de inducci6n dentro de una ZPR1 es mucho menor debido al efecto de atenuaci6n del
campo en el espacio apantallado.
La sobretension dentro una ZPR2 es fuertemente reducida debido al efecto en cascada de
ambos espacios de apantallamiento de la ZPR1 y la ZPR2.
E.5 RAL RELACIONADA CON DPS
Para evitar que
sobretensiones
acometidas de se
ser originados por
edificacron, 0 en sus
licos) , al igual que parincendios, explosiones
•• "tEmcializar las acometidas
de servicios,
Los lineamie
aislamiento; por
deben tener defin •• ~
de acuerdo con
la Tabla E.3.
~~[ijos de coordinacion de
•• ~._rtt4~·~M~~ie espI3ciMl_~:lJs metodos de rnitiqaclon
~'rii¥~1 basico al impulso (BIL)
De"lIK:lI!lretension se presenta en
Categoria I
Las tecnicas para el control de sobretensiones transitorias son:
1) ABSORCION. Es la conversion irreversible de energia de una onda electrornaqnetica, en
otra forma de energia (normalmente calor) como resultado de la interacci6n con el
material que absorbe. EI material es la causa de la conversi6n.
2) AISLAMIENTO. Es la separacion de dos 0 mas superficies conductoras por medio de un
dielectrico (incluyendo el aire), ofreciendo una alta resistencia al paso de la corriente.
3) APANTALLAMIENTO. Es la instalacicn de elementos metalicos que se insertan alrededor
de los dispositivos que se desean proteger contra los efectos de un campo. EI
apantallamiento actua absorbiendo 0 refiejando parte de la energia contenida en un
campo.
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4) CONEXIONES DEL SISTEMA DE PUESTA TIERRA. Es la aplicacion de conceptos
estandarizadas para el diserio e instalacion de las puestas a tierra y de la red equipotenciaL
5) EQUIPOTENCIALIZAR. Es la acci6n de Interconectar partes conductoras yf o conductores
activos con el sistema de puesta tierra por medio de conductores electricos y/o dispositivos
de proteccion contra sabre tensiones transitorias para lIevarlas a la minima diferencia de
potencial y asl propender por la seguridad.
6) FILTRAR. Es la modificaci6n de las componentes de frecuencia de una serial mediante un
disposit ive que se coloca entre los terminales de un circuito electrico.
7) MINIMIZAR LAZOS INDUCTIVOS. Es la aplicaci6n de los conceptos de cableados (de
potencia y de telecomunicaciones) de manera que se reduzca la inductancia de los
circuitos de modo diferencial y de modo cornun.
La equlpotencializacion depende en gran medida de la ccmbinacion de las tecnicas que se
apliquen en cada instalacion. A continuacicn se presentan algunos aspectos que se deben
tener en cuenta para su selecci6n e instalacion.
a) Reducir los efectos de la corriente del rayo, encerrando los cables con superficies
rnetalicas, las cuales deben ser conectadas con el sistema de puesta a tierra.
b) Reducir los efectos inductivos, instalando apantallamientos localizados y ubicando los
cableados apropiadamente.
c) Instalar barrajes equipotenciales - BE para conectar todas las pantallas de cables,
estructuras rnetalicas, entre otros, con el sistema de puesta a tierra.
d) Conectar los conductores actives con el BE, mediante la aplicacion de dispositivos de
proteccicn contra sobre tensiones transitorias - DPS. Las caracteristicas de los DPS
deben ser coordinadas con relacion a la energia requerida (vease la normatividad
nacional vigente 0 en su defecto la norma IEC 62305-4 0 los documentos normativos
IEEE C62.41-1 e IEEE C62.41-2 0 la normatividad UIT serie K).
e) En las acometidas de servicio los DPS se deben conectar entre los conductores activos
y la puesta a tierra 0el conductor de puesta a tierra para equipos.
f) Para instalaciones electricas, el nivel de proteccion de los DPS debe ser menor que el
nivel basi co de aislamiento BIL dado para la Categoria " de la Tabla 11. La maxima
tension de operacion continua debe ser mayor 0 igual a 1,1 veces la tension nominal
maxima del sistema.
g) En caso de falla del DPS, la capacidad de cortocircuito del DPS junto con sus
mecanismas internos 0 externos de protecci6n, debe ser igual 0 mayor que la maxima
corriente de cortocircuito esperada en el node de la instalacion.
Los parametres tecnicos minimos para. especificar un DPS son: tensi6n nominal, maxima
tension de operacion continua, nivel de proteccion en tension y la corriente nominal de
descarga.
La tension nominal del DPS debe estar de acuerdo con 1 0 establecido en la NTC 1340 para
corriente alterna y con la IEC 38 para corriente directa. As! mismo se debe tener en cuenta que
el regimen de conexi6n a tierra mas utilizado en el sistema colombiano es el TN C-S, de
acuerdo con la convencion de normas IEC. Vease la Figura 4.
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F
EQUIPO
N
PEN PE
en donde
TNCS sistema con el neutro puesto a tierra
descarga debe 5
P E
impulso para la que esta
corriente nominal de
Por acuerdo
NOTA Los val(vease la NTC 2
de conexon de la acometida
NOTA Vease I
6 6
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ANEXO F
(Normativo)
GUiA GENERAL DE SEGURIDAD PERSONAL DURANTE TORMENTAS ELECTRICAS
Durante una tormenta electrica son evidentes los peligros a los que se exponen, no solo las
edificaciones y los sistemas electricos y electronicos, sino las personas. Es par ella que se
deben conocer algunas recomendaciones para tener en cuenta durante una tormenta, evitando
riesgos para las personas.
EI riesgo de ser alcanzado por un rayo es mayor entre las personas que trabajan, juegan,
caminan 0 permanecen al aire libre durante una tormenta electrica
En la zona central colombiana (Cundinamarca, Antioquia, Boyaca, Santander, Caldas, Quindio,
Risaralda, Valle del Cauca y los llanos) la actividad de rayos es mas intensa durante los meses
de abril, mayo, octubre y noviembre; en la zona caribe colombiana (Atlantico, Magdalena,
Sucre, Cordoba, Guajira) durante los meses de julio y agosto y en la zona sur (Amazonas,
Cauca y Putumayo) durante los meses de diciembre y enero.
La actividad de rayos se presenta generalmente en las tres zonas descritas entre las 2 y las 6
de la tarde y en algunas zonas especiales como el Magdalena Media en horas de la noche y en
la madrugada.
Cuando se tenga indicios de tormenta electrica es recomendable, como medida de protecci6n,
tener en cuenta las siguientes instrucciones:
Aterrice y proteja adecuadamente los equipos sensibles de uso electrico, eJectr6nico,
teletonico 0 de comunicaciones contra sobretensiones de acuerdo can los criterios y
recomendaciones presentadas en esta norma, de 1 0 contra rio desconectelos retirando el
enchufe del tomacorriente evitando as! el usa de elias.
Busque refugio en el interior de veh iculos, edificaciones y estructuras que ofrezcanproteccion contra rayos
A menos que sea absolutamente necesario, no salga al exterior ni permanezca a la
intemperie durante una tormenta electrica.
Permanezca en el interior del vehiculo, edificaci6n 0 estructura hasta que haya
desaparecido la torments.
Protejase de los rayos en:
Contenedores totalmente metalicos.
Refugios suhterraneos.
Autom6viles y otros vehiculos cerrados can carrocerla rnetalica.
Viviendas y edificaciones con un sistema adecuado de protecci6n contra rayos.
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Estos sitios ofrecen poca 0 ninguna protecci6n contra rayos:
Edificaciones no protegidas alejadas de otras viviendas.
Tiendas de carnpana y refugios temporales en zonas despobladas.
Vehfculos descubiertos 0 no metalicos.
Alejese de estos sitios en casa de tormenta electrica:
Terrenos deportivos y campo abierto.
Piscinas, playas y lagos"
transmisi6n electrica, cables a
s, mall as eslabonadas y vallas
de perforaei6n, etc.
nta:
un arbol solitario.
No coloque las manos sabre el suela, col6quelas sabre las rodillas
Adoptela posici6n de cuclillas.
Para comprooar que estas recomendaciones de la guia se conviertan en acciones preventivas
se presenta a continuaci6n una lista de verificaci6n que puede ser implementada y evaluadaperi6dicamente para tamar los correctives que sean necesarios. Si las respuestas SOil
afirmativas en todos los casas se puede concluir que se estan tomando las medidas adecuadas
para la protecci6n del personal.
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PREGUNTA R E S P U E S T A
i_Durante una tormenta electrica se evita que haya personal trabajando al aire libre?
i_Durante una tormenta electrica se evita que haya personal caminando al aire libre?
i_Durante una tormenta electrica se evita que haya personal que permanece al aire Iibre?
i_Durante una tormenta electrica permanece el personal, denlro de vehiculos y
edificaciones?
.:_Duranteuna tormenta se evita la cercania del personal a terrenos deportivos y campo
abierto?
LDurante una tormenta se evita la cercania a piscinas, playas, lagos?
LDurante una tormenta se evita la cercania a lineas de transrntsion, redes y subestacioneselectricas?
LDurante una tormenta se evita la cercania a torres de comunicaciones?
LDurante una tormenta se evita escampar en arboles solitarios?
LDurante una tormenta se evita la cercania a vias de ferrocarril, oleoductos y ductos
rnetalicos?
i_Se aleja al personal durante una tormenta, de mallas eslabonadas, cercas, vallasrnetalicas, tendederos de ropa?
i_Seevita que el personal se acerque durante una tormenta, a grandes tanques rnetalicos?
.:_Duranteuna tormenta se aleja al personal de las partes alias?
LSe evita el uso de vehiculos no rnetalicos ante una tormenta?
LSe utilizan contenedores totalmente metalicos, como refugio ante tormentas?
LSe utilizan refugios subterransos en caso de tormenta?
LSe utilizan automoviles y otros vehiculos cerrados con carrocerla, como refugio ante
tormentas?
LSe evita acostarse en el suelo mientras se esta presentando una tormenta?
LSe evita colocar las manos en el suelo mientras se esta presentando una tormenta?
LSe juntan los pies mientras se esta presenlando una tormenta?
LSe adopta la posicion de cuclillas par el personal que se encuentra aislado, mientras seesta presenlando una tormenta?
i_Seevita la cercanla de arboles cuyas ramas estan proxirnas a redes electricas?
i_Sedesconectan los aparatos electricos cuando se inicia una tormenta?
LSe desconectan los equipos telefonicos cuando se inicia la tormenta?
LSe evita el uso de aparatos electricos en el momenta de la torrnenta?
LSe evita el uso de aparatos electrorucos en el momento de la torments?
LSe evita el uso de aparatos telefonicos en el momento de la tormenta?
LSe evita el contacto con cables, alarnbres, tuberia rnetalica de agua, energia, gas, etc"durante una torrnenta?
TOTAL RESPUESTAS ( S i )
Porcentaje acciones positivas
6 9
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~~~
ICONTECINHRNATIONAl
-- -
COLOMB' IA INTERNACIONALES
B O G o r A M A . N I . Z A L E S C H I L E H O N D U I I . A S
C ar r e r a 3 7 N o. 5 2 - 9 5 C a l le 2 0 N o 2 2 - 2 7 C a l l e A g u s t o L e g u i a N o . . 1 0 0 C o lo n ia L o s R o bl e s
Teletono: ( 1 ) 6 07 8 8 8 8 E d if ic i o C u m a n d a y O f 806 O fic in a 3 06 P is o 3 , L as C a nd es c as a N o . 3402 ( 1 5 )
F a x: ( 1 ) 2 2 2 14 3 5 I e le to no : ( 6 ) 8 8 4 5 1 7 2 S a n t ia g o d e C h i l e Cornayaquela, H o n d u r a s
b o g o t a @ i c o n t e c . o r g F a x : ( 6 ) 89 7 2 2 2 1 T e l e fo n a : ( 5 6 2 ) 6 5 7 8 9 0 8 T e le fo n o : ( 5 0 4 ) 9 9 2 3 5 2 3 9
m a n i z a l e s @ i c o n t e c . o r g F a x: ( 56 2 ) 2333484 h a n d u r a s @ j c o n t e c . o r g
M E D E L L i N Ic h i l e @ l c o n t e c . o r a
B A R R A N Q U I L L A
C a r r e r a 54 N o . 7 4 - 6 8 T ra ns v er s a l 5 0 N o . 39 - 1 9 1
T e h H o n o (5) 3 6 0 6 69 B I e le f on o: ( 4 ) 3 1 9 8 0 2 0 C O S T A R I C A N I C A 'R A G U A
F a x ( 5 ) 3 6 0 6 6 9 B F ax : ( 4 ) 3 1 4 0 37 8 1 00 m e tr o s E s le d e P o z u e lo . H a sp . L en n in F o n se c a
b a r r a n g u i l l a @ i c o n t e c . o r a m e d e l li n @ i c o n t e c . o r g L a U ru c a . S a n J o s e . 1 c ua d r a a l S u r,
C a s t a R i c a . R e s i d en c i a l V ic to ri a N O . 3
B U [ ; A R A M A N G A N E I V AE d i f i c io C o rp or a c i o n F o n t M a n a g u a
C a l l e 4 2 N o .. 2 8 - 1 9 C a r r e r a 5 N o . 10 - 3 8I e l e t o n o : ( 5 0 6 ) - 2 9 6 9 9 2 1 T e h l f o n o : ( 5 0 5 ) 2 6 6 2 3 0 9
Telsfono: (7 ) 6329828 T e l € t o n o : (8 ) 8 71 3 6 6 6 & to 15 2 F a x : ( 5 0 6 9 - 2 2 0 1 85 4 n i c a r a g u a @ j c o n t e c . o r g
F ax : ( 7 ) 64 5 2 0 9 B F a x (8 ) 8 7 1 3 6 6 6 E x t . 0c o s t a r ic a @ i c o n t e C . o r g
b u c a r a m a n g a @ i c o n t e c . o rg n e i v a @ i c o n t e c . o r g
C A L I P E R E I R A E C U A D O R P A N A M A
A ~ _ 4A N o r t e N o . 45 N - 30 C a ll e 1 7 NO.7 - 12 O f ic in a 9 0 2 A v . D e lo s S h y r i s 4 1 -1 5 1 e A v R i c a r d o J. A l f a r o ,
I ele fo no ; (2 ) 6 6 4 0 1 2 1 E d if i c io C e n tr o E m p re s ar ia l P e re ir a I s la F lo re a n a 7 Piso O f ic in a 7 07 E d l f i c i o T h e C e n tu ry T ow e r
F ax : ( 2 ) 6 64 1 55 4 T e l : ( 5 7 ) ( 6 ) 3 2 4 1 1 0 0 E d i f l c io A x l o s a u~ o • E c u ad or P i s o 3, O f i c in a . 3 0 6 . P an am a
c a l i @ i c o n t e c . o r g F a x: ( 5 7 ) (6) 3 2 4 1 7 8 4 T e l e to no : ( 5 93 -2 ) - 2277686 R e pu b l i c a d e P a n am a
p e r e l ra @ i c o n t e c . o rg F a x : ( 5 9 3- 2 ) -2 4 6 3 3 8 4 T e l e f o n o : ( 5 0 7 ) - 2 . 6 0 9 0 5 1
e c u a d o r @ i c o n t e c . o rg F a x ( 5 0 7 ) 2602400
C A R T A G E N A P O P A y A N Q a n a m a @ i c o n t e c . o rgA v e ni d a V e n ez u e la C a r r e r a 7 N o . 4 - 3 6
C a l l e 35 B - 05 E d i f i c lo C a m a r a d e
E d i f i c io C I 1 i b an k O f ic in a 8 G cornerco d e l C a u c a E L S A L V A D O R P E R U
t e l e t c n o : 3 1 1 - 2 6 2 3 0 0 6 I s l e f o n o : (2) 6 2 4 3770 B o u le v a rd S u r . U r b an iz a c ib n la s P e r d i c e s N o . 2 2 5 N o . 2 0 4
c a r t a g e n a @ i c o n t e c . o r g J l .Q Q a y a n @ i c o n t e c . o rg S a n ta E le n a, Editicio E b e n Em , D is tr i t o d e S a n I si d ro , P ro vn c i a y
Plso 3. A n t i g u a cuscanan Depto. d e L im a . L im a 27 . P e n i
I B A G U Ec u e U T A E I S a lv a d or Teleform: ( 5 1 1 ) 4 4 0 1 1 69
C a r r e r a 5 N o . 29 - 3 2 C a l l e 1 0 N o . 4·38 T o r r e B I e l e t n n o : ( 5 0 3 ) 2 2 8 9 5 7 1 2 F a x : ( 5 1 1 ) 4 4 0 1 1 6 9
C e n tr o C o m a rc ia l T e l: ( 7 ) 5 8 2 5 0 8 8 E x t 3 2 7 e l s a l v a d o f@ i c o n t e c _ M Q p e r u @ i c o n t e c . o r g
L a Q u in ta . L o ca l 3 0 0T e l : (8 ) 2 6 4 8 2 7 0 , B A R R A N C A B E R M E J A
F a x : ( 8 ) 2 6 5 5 6 1 1 C a l l e . . 4 9 N o . 1 2 - 7 0 piso 2
i b a g u e @ i c o n t e c . o r g E d if i c io C a m a ra de Corncrcio G U A T E M A L A R E P U B L I C A D o M IN I C A N AT el : ( 7 ) 6 22 8 8 0 0 4 A v. 1 9 - 26 Z o n a 14. G u a t e m a la A v . A b r a h a m L i n c o l n .
I ele tn no : (5 02 ) 2 3 8 1 5 8 8 5 N o . 1 0 0 4 S a n to D om in go
P A S T O A R M E N I A F a x : ( 5 0 2 ) 2 3 8 1 5 8 8 5 R e p u b l i c a O o m in i c a n a
C a l l e . 18 N o. 2 8 • 8 4 . P i s a 2 C a r r e r a 14 N o . 23 - 1 5 . P is o 2 g u a t e m a l a @ i c o n t e c . o r g Ieletono: (1 809) 5 654 309
E d i f i c io C a m a r a d e C o m e r c i o E d if i c io C a m a ra de C o m e r c i o F a x : (1 8 90 ) 7 32 9 2 0 7
T e l : ( 2 ) 7 31 0593 Ieletone: ( 6 ) 7 4 1 1 42 3 r e ( l u b l icadnrni nican a @ i c o n t e c . o rg
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