Diseño Sisitema Apantallamiento (Medellin)

Servicios Servicios de asesoría, consultoría, estudios y supervisión de montaje y construcción en las áreas de ingeniería eléctrica y civil. Prueb as de funcionamiento y puesta en s ervicio de subestacioneseléctricas

NTC-ISO 9001:2000 Certificado No. SC-0021

DISEÑO DEL SISTEMA DE APANTALLAMIENTO CONTRA DESCARGAS ATMOSFÉRICAS DIRECTAS PARA LAS INSTALACIONES DE LA ALCALDÍA DEL MUNICIPO DE MEDELLÍN

INFORME CON LAS SIMULACIONES Y LOS RESULTADOS DE DISEÑO

DOCUMENTO IEB-603-07-02 Revisión 0

Itagüí, diciembre de 2007

Sede principal Itagüí – Colombia Cra. 42 72-11, of. 205  PBX: (57-4) 373 67 77  Sede Bogotá - Colombia Cra. 37 54-48

http://www.ieb.com.co

PBX: (57-1) 703 00 32 

Fax: (57-4) 372 32 71 Fax: (57-4) 372 32 71

e-mail: [email protected] 

ALCALDÍA DE MEDELLÍN

IEB S.A.

DISEÑO DEL SISTEMA APANTALLAMIENTO CONTRA DESCARGAS ATMOSFÉRICAS

Página ii de iv

CONTROL DE DISTRIBUCIÓN Copias de este documento han sido entregadas a: Nombre

Dependencia

Empresa

Copias

John Harvey Parra Muriel

Coordinador de Obras Eléctricas

Alcaldía de Medellín

1

 

//Servidor

IEB S.A.

1

Las observaciones que resulten de su revisión y aplicación deben ser informadas a IEB S.A.

CONTROL DE REVISIONES Revisión No. 0

Aspecto revisado

Fecha

Emisión inicial

2008/01/10

CONTROL DE RESPONSABLES NÚMERO DE REVISIÓN Nombre Elaboración

Nombre

Nombre

JCB 2007/12/20 HDL 2007/12/26 FJM

Firma Fecha

JCB HDL FJM

2

Firma Fecha

Verificación

1

Firma Fecha

Revisión

0

2007/12/27

Juan Camilo Botero Héctor David López Francisco Javier Mejia

Archivo: IEB-603-07-020

ALCALDÍA DE MEDELLÍN

IEB S.A.

DISEÑO DEL SISTEMA APANTALLAMIENTO CONTRA DESCARGAS ATMOSFÉRICAS

Página iii de iv

TABLA DE CONTENIDO 1 2 3 4

OBJETO................................................................................................................. 1 INTRODUCCIÓN.................................................................................................... 1 RECURSOS DISPONIBLES .................................................................................. 1 METODOLOGÍA..................................................................................................... 2

4.1 4.2 4.3 4.4

VISITA TÉCNICA ....................................................................................................................2 EL MODELO ELECTROGEOMÉTRICO................................................................................2 MEDICIONES DE RESISTIVIDAD..........................................................................................2 EL MODELO DE LAS DOS CAPAS.......................................................................................3

5 6

RESULTADOS DE LAS MEDICIONES REALIZADAS........................................... 4 DISEÑO DETALLADO DEL SISTEMA DE APANTALLAMIENTO ......................... 6

6.1 6.2 6.3 6.3.1 6.3.2 6.3.3 6.3.4

EVALUACIÓN DEL FACTOR DE RIESGO SEGÚN NORMA ICONTEC 4552 .....................8 CARACTERÍSTICAS DE LAS INSTALACIONES SIN APANTALLAMIENTO ......................9 DISEÑO DEL SISTEMA DE APANTALLAMIENTO.............................................................11 Simulación final para la Alternativa 1.....................................................................................11 Simulación final para la Alternativa 2.....................................................................................13 Puesta a tierra del sistema de apantallamiento.....................................................................14 Análisis de respuesta transitoria del sistema de apantallamiento.........................................16

7 CONCLUSIONES................................................................................................. 18 8 RECOMENDACIONES......................................................................................... 19 REFERENCIAS................................................................................................................ 20

Archivo: IEB-603-07-020

ALCALDÍA DE MEDELLÍN

IEB S.A.

DISEÑO DEL SISTEMA APANTALLAMIENTO CONTRA DESCARGAS ATMOSFÉRICAS

Página iv de iv

LISTA DE FIGURAS Figura 1. Métodos de medición de resistividad ...................................................................................3 Figura 2. Esquemático del modelo de las dos capas..........................................................................4 Figura 3. Eje de medición de resistividad............................................................................................5 Figura 4. Perfil de resistividad aparente..............................................................................................6 Figura 5. Vista isométrica de las instalaciones ...................................................................................7 Figura 6. Mapa de niveles ceráunicos de Colombia ...........................................................................8 Figura 7. Simulación de las instalaciones sin sistema de apantallamiento.......................................10 Figura 8. Simulación de las instalaciones con el sistema de apantallamiento propuesto en la alternativa 1 ...............................................................................................................................11 Figura 9. Simulación de las instalaciones con el sistema de apantallamiento propuesto en la alternativa 2 ...............................................................................................................................13 Figura 10. Sistema de puesta a tierra del apantallamiento propuesto ..............................................16 Figura 10. Respuesta transitoria del sistema de apantallamiento.....................................................17

LISTA DE TABLAS Tabla 1. Resistividad aparente calculada [Ω·m]..................................................................................5 Tabla 2. Resultados modelo de las dos capas del terreno .................................................................6 Tabla 3. Datos para el cálculo del factor de riesgo .............................................................................9 Tabla 4. Índice de riesgo asociado con la exposición de la estructura ...............................................9 Tabla 5. Índice de riesgo relacionado con la estructura......................................................................9 Tabla 6. Estadística de descargas captadas en las instalaciones sin sistema de apantallamiento..10 Tabla 7. Estadística de descargas captadas por el sistema de apantallamiento propuesto en la alternativa 1 ...............................................................................................................................12 Tabla 8. Estadística de descargas captadas por el sistema de apantallamiento propuesto en la alternativa 2 ...............................................................................................................................13 Tabla 8. Datos de entrada del programa “IEB-MALLAS”..................................................................15

LISTA DE ANEXOS Anexo 1 Anexo 2

Formato de revisión y medida del sistema de apantallamiento Guía general de seguridad personal durante tormentas eléctricas

Archivo: IEB-603-07-020

ALCALDÍA DE MEDELLÍN DISEÑO DEL SISTEMA APANTALLAMIENTO CONTRA DESCARGAS ATMOSFÉRICAS

1

IEB S.A. Página 1 de 20

OBJETO 

Presentar el informe con el diseño del sistema de apantallamiento contra descargas atmosféricas directas para las instalaciones de la alcaldía del municipio de Medellín, el cual fue adelantado por Ingeniería Especializada S.A. 2

INTRODUCCIÓN 

El dimensionamiento de un sistema de apantallamiento debe garantizar la protección de las personas, materiales y edificaciones expuestos a daños en caso de descargas atmosféricas directas, cumpliendo con los criterios de seguridad recomendados por el Reglamento Técnico de Instalaciones Eléctricas (RETIE) y las normas ICONTEC 4552 “Protección Contra Descargas Eléctricas Atmosféricas”, ANSI/NFPA 780 "Standard for the Installation of Lightning Protection Systems" e IEC 1024 "Protection of Structures against Lightning". En el informe se describe la metodología utilizada, se analizan los resultados y se presentan las conclusiones y recomendaciones derivadas del estudio realizado. 3

RECURSOS DISPONIBLES 

Para las mediciones de la resistividad del terreno se utilizó un telurómetro digital de cuatro terminales calibrado, serial 16060921, el cual cuenta con indicadores de ruido eléctrico y verificación de las conexiones de la medida, entregando por lo tanto un valor medido de alta confiabilidad. En el diseño del sistema del apantallamiento se utilizó el programa “IEB-RAYO” desarrollado por Ingeniería Especializada S.A., en el cual se realizaron las simulaciones que permitieron evaluar el desempeño del sistema. Para el análisis de la respuesta transitoria del sistema de apantallamiento se utilizó el programa “IEB-TRANSIT” desarrollado por Ingeniería Especializada S.A. En el cálculo del sistema de puesta a tierra del apantallamiento se utilizó un programa para análisis de sistemas de puesta a tierra llamado "IEB-MALLAS", el cual fue desarrollado por Ingeniería Especializada S.A.

Archivo: IEB-603-07-020

ALCALDÍA DE MEDELLÍN

IEB S.A.

DISEÑO DEL SISTEMA APANTALLAMIENTO CONTRA DESCARGAS ATMOSFÉRICAS

4

Página 2 de 20

METODOLOGÍA

Para el diseño del sistema de apantallamiento se realizaron simulaciones tendientes a dimensionar el sistema. 4.1 VISITA TÉCNICA Se efectuaron visitas entre el 26 de noviembre y el 18 de diciembre de 2007 a las instalaciones de la alcaldía, durante las cuales se recolectó información y se realizaron las medidas requeridas para el diseño del sistema de apantallamiento. 4.2 EL MODELO ELECTROGEOMÉTRICO  La metodología adoptada para el diseño del apantallamiento corresponde al uso del modelo electrogeométrico de Whitehead utilizado por la norma ANSI/NFPA 780 "Standard for the Installation of Lightning Protection Systems". Se verifica el diseño por medio de una rutina que involucra el nivel ceráunico de la zona, las distribuciones de probabilidad de corrientes de descarga y la caracterización espacial de la planta. Posteriormente se simula el sistema de apantallamiento con el programa “IEB-RAYO”, que toma en cuenta las distribuciones de probabilidad de las corrientes de descarga aceptadas mundialmente y modela las instalaciones, su sistema de apantallamiento y la interacción con edificaciones vecinas. 4.3 MEDICIONES DE RESISTIVIDAD  Para realizar las medidas de resistividad se emplearon los métodos de Wenner y de Schlumberger-Palmer, recomendados por la norma ANSI/IEEE Std 81 ”IEEE Guide for Measuring Earth Resistivity, Ground Impedance, and Earth Surface potentials of a Ground System”. En el método de Wenner los electrodos se disponen en línea recta espaciados uniformemente y la resistividad aparente del suelo a una profundidad dada es la resistividad medida para un espaciamiento entre electrodos igual a dicha profundidad y está dada por la siguiente ecuación: ρ= 1+

4⋅π⋅a ⋅R 2⋅a 2

a + 4b

2

−

a 2

a +b

2

donde: a: distancia horizontal entre los electrodos

Archivo: IEB-603-07-020

ALCALDÍA DE MEDELLÍN

IEB S.A.

DISEÑO DEL SISTEMA APANTALLAMIENTO CONTRA DESCARGAS ATMOSFÉRICAS

Página 3 de 20

R: resistencia de puesta a tierra medida b: profundidad de enterramiento de los electrodos En el método de Schlumberger-Palmer los electrodos se disponen en línea recta espaciados en forma progresiva, requiriéndose que la separación entre los electrodos de potencial sea igual a la profundidad a la cual se desea medir la resistividad. La resistividad aparente del suelo a una profundidad d (igual al espaciamiento entre los electrodos de potencial), se puede determinar como: ρ=

π ⋅ c ⋅ (c + d ) d

⋅R

donde: c: distancia horizontal entre los electrodos de corriente y potencial d: distancia horizontal entre los electrodos de potencial R: resistencia de puesta a tierra medida En la Figura 1 se muestra el esquema de conexión para los dos métodos.

Método de Wenner

Método de Schlumberger-Palmer

Figura 1. Métodos de medición de resistividad 4.4 EL MODELO DE LAS DOS CAPAS  El diseño del sistema de puesta a tierra para el apantallamiento se realiza con base en el Reglamento Técnico de Instalaciones Eléctricas (RETIE) y luego se detalla, utilizando para los cálculos, el programa de computación (IEB-MALLAS) basado en el método de las dos capas y la teoría de las imágenes. El método de las dos capas consiste en la modelación del suelo en dos capas de resistividad uniforme con base en los valores de resistividad tomados en el terreno. Este modelo sirve para estudiar el comportamiento del sistema de puesta a tierra frente a fallas originadas por condiciones atmosféricas o en el sistema de potencia. En la Figura 2 se ilustra el significado del modelo de dos capas.

Archivo: IEB-603-07-020

ALCALDÍA DE MEDELLÍN

IEB S.A.

DISEÑO DEL SISTEMA APANTALLAMIENTO CONTRA DESCARGAS ATMOSFÉRICAS

Página 4 de 20

Figura 2. Esquemático del modelo de las dos capas

5

RESULTADOS DE LAS MEDICIONES REALIZADAS 

Las medidas de resistividad se tomaron sobre un eje en una zona verde cercana a las instalaciones de la alcaldía de Medellín, indicado en la Figura 3.

Archivo: IEB-603-07-020

ALCALDÍA DE MEDELLÍN

IEB S.A.

DISEÑO DEL SISTEMA APANTALLAMIENTO CONTRA DESCARGAS ATMOSFÉRICAS

Página 5 de 20

Figura 3. Eje de medición de resistividad Para las medidas a 2 m y 4 m de profundidad se siguió el método de Wenner, mientras que para las medidas a 8 m y 16 m, se empleó el método de Schlumberger-Palmer con una separación entre electrodos de tensión y corriente de 4 m. En la Tabla 1 se muestra los valores de resistividad para los ejes de medida evaluados. Tabla 1. Resistividad aparente calculada [Ω·m] Eje A

Profundidad [m] 2

4

8

16

62,1

63,9

50,0

28,7

Promedio

Desviación estándar

39,3

48,8

A partir de los valores de resistividad promedio, se obtuvo un modelo del terreno de dos capas con los resultados indicados en la Tabla 2.

Archivo: IEB-603-07-020

ALCALDÍA DE MEDELLÍN

IEB S.A.

DISEÑO DEL SISTEMA APANTALLAMIENTO CONTRA DESCARGAS ATMOSFÉRICAS

Página 6 de 20

Tabla 2. Resultados modelo de las dos capas del terreno Resistividad [Ω·m] Capa superior ( ρ1) 62,1

Profundidad capa superior H [m] Capa inferior (ρ2) 31,9

5,3

Coeficiente de reflexión K -0,32

En la Figura 4, se presenta la gráfica de resistividad aparente para las diferentes profundidades del terreno, considerando los valores de resistividad promedio. 70

60

   ] 50   m   ·      Ω    [Ω    d 40   a    d    i   v    i    t 30   s    i   s   e 20    R 10

0 2

4

8

16

Profundidad [m]

Figura 4. Perfil de resistividad aparente

6

DISEÑO DETALLADO DEL SISTEMA DE APANTALLAMIENTO 

En la Figura 5 se muestra la vista isométrica de las instalaciones del proyecto, obtenidas mediante las simulaciones con el programa de apantallamiento "IEB-RAYO" Se considera el Palacio de Justicia, el cual se encuentra ubicado contiguo al edificio de la alcaldía, dicho edificio se muestra en color gris, mientras que el edificio de la alcaldía y concejo se muestra en color naranja.

Archivo: IEB-603-07-020

ALCALDÍA DE MEDELLÍN

IEB S.A.

DISEÑO DEL SISTEMA APANTALLAMIENTO CONTRA DESCARGAS ATMOSFÉRICAS

Página 7 de 20

Figura 5. Vista isométrica de las instalaciones Según el Mapa de Niveles Isoceráunicos de Colombia elaborado en la Universidad Nacional se puede asignar para la ciudad de Medellín, un nivel ceráunico de 140 días tormentosos por año (Ver Figura 6), con lo cual la densidad de descargas a tierra es de 3,788 rayos/km²/año, estimada mediante la ecuación propuesta en la norma NTC 4552-2004.  DDT 

= 0,0017 ⋅ NC 1,56

DDT: Densidad de descargas a tierra [rayos / km² / año] NC: Nivel ceráunico Para el diseño del apantallamiento se utiliza el criterio de protección contra descargas mayores o iguales a 10 kA correspondiente a un radio de descarga ≥ 45 m, recomendado por la Norma ANSI/NFPA 780.

Archivo: IEB-603-07-020

ALCALDÍA DE MEDELLÍN

IEB S.A.

DISEÑO DEL SISTEMA APANTALLAMIENTO CONTRA DESCARGAS ATMOSFÉRICAS

Página 8 de 20

Figura 6. Mapa de niveles ceráunicos de Colombia 6.1 EVALUACIÓN DEL FACTOR DE RIESGO SEGÚN NORMA ICONTEC 4552  La norma ICONTEC 4552-2004 “Protección Contra Descargas Eléctricas Atmosféricas” plantea una metodología determinística que evalúa en forma cualitativa el riesgo de exposición de las edificaciones y estructuras teniendo en cuenta dos parámetros asociados con el fenómeno del rayo (la densidad de descargas a tierra y la corriente pico) y el tipo de estructura a proteger. Aplicando

Archivo: IEB-603-07-020

ALCALDÍA DE MEDELLÍN

IEB S.A.

DISEÑO DEL SISTEMA APANTALLAMIENTO CONTRA DESCARGAS ATMOSFÉRICAS

Página 9 de 20

esta metodología se obtuvo el factor de riesgo para las instalaciones a partir de los datos presentados en las siguientes tablas. Tabla 3. Datos para el cálculo del factor de riesgo Nivel Ceráunico

Corriente pico [kA]

Densidad de descargas a tierra [rayos/km2/año]

140

30,00

3,788

Tabla 4. Índice de riesgo asociado con la exposición de la estructura Índice RIabs (Riesgo asociado con la corriente pico) RDDT (Riesgo asociado con la densidad de descargas a tierra) Índice de riesgo por rayos Gravedad por parámetros de rayo

Valor 0,65 0,25 0,37 Bajo

Tabla 5. Índice de riesgo relacionado con la estructura Índice Uso de la estructura: Edificio de Oficinas Tipo de estructura: No metálica Altura y área de la estructura: Área > 900 m² y Altura > 25 m Suma de índices de gravedad Gravedad por tipo de estructura

Valor 30 40 20 90 Severa

Teniendo en cuenta los datos mostrados en la Tabla 4 y en la Tabla 5, se aplica la matriz de factores de riesgo obteniendo un factor de riesgo MEDIO, lo cual indica la necesidad de un sistema de protección externo contra descargas atmosféricas y protecciones internas para las redes eléctricas, de voz y de datos. 6.2 CARACTERÍSTICAS DE LAS INSTALACIONES SIN APANTALLAMIENTO  Con los resultados de la simulación inicial se logra establecer cuales son los sitios de las instalaciones que presentan mayor exposición y por ende son más vulnerables ante la ocurrencia de descargas atmosféricas directas. Para el caso inicial se simuló el comportamiento del sistema durante un período de 100.000 años, para el cual todos los índices de riesgo convergen suficientemente. En la Figura 7 muestra el resultado de la simulación, indicando en las zonas sombreadas las áreas que quedarían expuestas en caso de descargas.

Archivo: IEB-603-07-020

ALCALDÍA DE MEDELLÍN

IEB S.A.

DISEÑO DEL SISTEMA APANTALLAMIENTO CONTRA DESCARGAS ATMOSFÉRICAS

Página 10 de 20

Figura 7. Simulación de las instalaciones sin sistema de apantallamiento De acuerdo con los resultados del programa “IEB-RAYO”, se puede establecer que el edificio está sometido al riesgo de una descarga con efectos destructivos que impactan sobre las estructuras cada 7,87 años en promedio, por lo tanto, el diseño del sistema de apantallamiento debe garantizar una adecuada protección para las instalaciones. En la Tabla 6 se presenta un resumen con la estadística de descargas atmosféricas que simula el programa "IEB-RAYO" en el área de las instalaciones. Tabla 6. Estadística de descargas captadas en las instalaciones sin sistema de apantallamiento Ítem Total en el sistema de apantallamiento existente Total en Techos Total en Antenas Total en Luces Total en estructuras cercanas Total descargas con efectos destructivos sobre la edificación de la Alcaldía Total en la zona de influencia

Rayos recibidos Años promedio Porcentaje de en 1.000.000 de esperados entre descargas [%] años rayos 937

3,45

106,72

10.668 1.327 1.149 13.035

39,28 4,89 4,23 48,00

9,37 75,36 87,03 7,67

12.695

46,74

7,88

27.159

100,00

3,68

Archivo: IEB-603-07-020

ALCALDÍA DE MEDELLÍN DISEÑO DEL SISTEMA APANTALLAMIENTO CONTRA DESCARGAS ATMOSFÉRICAS

IEB S.A. Página 11 de 20

6.3 DISEÑO DEL SISTEMA DE APANTALLAMIENTO  La edificación correspondiente a la Alcaldía del municipio de Medellín, tiene en su terraza una zona destinada a un helipuerto, por lo tanto se ofrecen dos diferentes alternativas de diseño del apantallamiento de la estructura. Para determinar el comportamiento de los sistemas de apantallamiento propuestos se simularon las diferentes alternativas durante un período de 100.000 años: • Alternativa 1: Diseño del sistema de apantallamiento, instalando en la zona del helipuerto puntas captadoras tipo Franklin de 0,20 m de altura efectiva sobre la superficie de montaje. • Alternativa 2: Diseño del sistema de apantallamiento, instalando en la zona del helipuerto una platina de cobre con una altura efectiva de montaje sobre la superficie de 5 cm. A continuación se presentan los resultados obtenidos en las simulaciones del diseño para cada una de las alternativas planteadas. 6.3.1 Simulación final para la Alternativa 1 Para esta alternativa se obtuvo un riesgo de una falla en 427,35 años en promedio y una efectividad del 99,15%. En la Figura 8 se puede apreciar el gráfico de la simulación con el sistema de apantallamiento propuesto para esta alternativa.

Figura 8. Simulación de las instalaciones con el sistema de apantallamiento propuesto en la alternativa 1

Archivo: IEB-603-07-020

ALCALDÍA DE MEDELLÍN

IEB S.A.

DISEÑO DEL SISTEMA APANTALLAMIENTO CONTRA DESCARGAS ATMOSFÉRICAS

Página 12 de 20

En la Tabla 7 se presenta un resumen de la estadística de descargas que simula el programa “IEB-RAYO” sobre el sistema de apantallamiento propuesto. Tabla 7. Estadística de descargas captadas por el sistema de apantallamiento propuesto en la alternativa 1 Item Punta existente Punta 1 Punta 2 Punta 3 Punta 4 Punta 5 Punta 6 Punta 7 Punta 8 Punta 9 Punta 10 Punta 11 Punta 12 Punta 13 Punta 14 Punta 15 Punta 16 Punta 17 Punta 18 Punta 19 Total en puntas a instalar Total en cables a instalar Total en techos Total en luces Total en estructuras cercanas Total descargas con efectos destructivos sobre la edificación Total en la zona de influencia

Rayos recibidos en 100.000 de años

Porcentaje de descargas [%]

Años promedio esperados entre rayos

0 3.280 197 867 201 136 182 738 1.991 272 2.414 272 273 322 228 480 376 298 781 410 13.718 311 277 9 13.074

0,00 11,96 0,72 3,16 0,73 0,50 0,66 2,69 7,26 0,99 8,80 0,99 1,00 1,17 0,83 1,75 1,37 1,09 2,85 1,49 50,01 1,13 1,01 0,03 47,66

100.000 304,88 5.076,14 1.153,40 4.975,12 7.352,94 5.494,51 1.355,01 502,26 3.676,47 414,25 3.676,47 3.663,00 3.105,59 4.385,96 2.083,33 2.659,57 3.355,70 1.280,41 2.439,02 72,90 3.215,43 3.610,11 111.111,11 76,49

234

0,85

4.273,50

27.431

100,00

36,46

≥

Se puede apreciar que las puntas y cables propuestos, son los elementos que reciben el mayor porcentaje de las descargas atmosféricas directas que antes impactaban en los techos.

Archivo: IEB-603-07-020

ALCALDÍA DE MEDELLÍN

IEB S.A.

DISEÑO DEL SISTEMA APANTALLAMIENTO CONTRA DESCARGAS ATMOSFÉRICAS

Página 13 de 20

6.3.2 Simulación final para la Alternativa 2  Para esta alternativa se obtuvo un riesgo de una falla en 444,44 años en promedio y una efectividad del 99,17%. En la Figura 9 se puede apreciar el gráfico de la simulación con el sistema de apantallamiento propuesto para esta alternativa.

Figura 9. Simulación de las instalaciones con el sistema de apantallamiento propuesto en la alternativa 2 En la Tabla 8 se presenta un resumen de la estadística de descargas que simula el programa “IEB-RAYO” sobre el sistema de apantallamiento propuesto. Tabla 8. Estadística de descargas captadas por el sistema de apantallamiento propuesto en la alternativa 2 Item Punta existente Punta 1 Punta 2 Punta 3 Punta 4

Rayos recibidos en 100.000 de años

Porcentaje de descargas [%]

0 3.272 187 812 205

0,00 11,93 0,68 2,96 0,75

Años promedio esperados entre rayos 100.000 305,62 5.347,59 1.231,53 4.878,05

≥

Archivo: IEB-603-07-020

ALCALDÍA DE MEDELLÍN

IEB S.A.

DISEÑO DEL SISTEMA APANTALLAMIENTO CONTRA DESCARGAS ATMOSFÉRICAS

Item Punta 5 Punta 6 Punta 7 Punta 8 Punta 9 Punta 10 Punta 11 Total en puntas a instalar Total en platina a instalar Total en techos Total en luces Total en estructuras cercanas Total descargas con efectos destructivos sobre la edificación Total en la zona de influencia

Rayos recibidos en 100.000 de años 497 357 297 774 404 798 386 7.989 6.053 184 52 13.051

Página 14 de 20

1,81 1,30 1,08 2,82 1,47 2,91 1,41 29,12 22,07 0,67 0,19 47,58

Años promedio esperados entre rayos 2.012,07 2.801,12 3.367,00 1.291,99 2.475,25 1.253,13 2.590,67 125,17 165,21 5.434,78 19.230,77 76,62

234

0,85

4.273,50

27.431

100,00

36,46

Porcentaje de descargas [%]

Se puede apreciar que las puntas y las platinas propuestas, son los elementos que reciben el mayor porcentaje de las descargas atmosféricas directas que antes impactaban en los techos. 6.3.3 Puesta a tierra del sistema de apantallamiento  Para el dimensionamiento de las puestas a tierra se tiene en cuenta el Reglamento Técnico de Instalaciones Eléctricas (RETIE) que recomienda un valor de 10 Ω para la puesta a tierra de un sistema de apantallamiento. Teniendo en cuenta los resultados de la resistividad del terreno utilizando el modelo de las dos capas, se obtiene una resistencia de puesta a tierra, para una varilla de 2,4 m de longitud y 5/8” de diámetro de 22,21 Ω, aproximadamente. Para el apantallamiento propuesto se contempla la instalación de 18 bajantes, cada una unida a una varilla, interconectadas mediante cable de cobre instalado tanto a nivel de techo como enterrado a 0,5 m. Para determinar la resistencia de puesta a tierra del apantallamiento, se utilizó el programa “IEB-MALLAS”, el cual hace uso del método de la matriz combinada de resistencia, el método integral para la evaluación de tensiones a lo largo de los segmentos de un conductor y el método de las imágenes para el modelamiento de las dos capas. En la Tabla 9 se muestran los datos de entrada al programa

Archivo: IEB-603-07-020

ALCALDÍA DE MEDELLÍN

IEB S.A.

DISEÑO DEL SISTEMA APANTALLAMIENTO CONTRA DESCARGAS ATMOSFÉRICAS

Página 15 de 20

Tabla 9. Datos de entrada del programa “IEB-MALLAS” Magnitud Resistividad capa superior del suelo [ Ω·m] Resistividad capa inferior del suelo [ Ω·m] Profundidad de la primera capa [m] Resistividad de la capa de cascajo o concreto [ Ω·m] Espesor de la capa de cascajo o concreto [m] Profundidad de enterramiento de la malla [m] Radio del conductor [m] Número de varillas [Un] Radio de la varilla [m] Longitud de la varilla [m]

Valor 62,1 31,9 5,3 3000 0,1 0,5 0,0047 6 0,008 2,4

La resistencia de puesta a tierra del sistema de apantallamiento propuesto, determinada con el programa, es de 3,78 Ω cuyo valor se considera adecuado y cumple con las recomendaciones del RETIE. En la Figura 10 se presenta el sistema de puesta a tierra del apantallamiento simulado.

Archivo: IEB-603-07-020

ALCALDÍA DE MEDELLÍN DISEÑO DEL SISTEMA APANTALLAMIENTO CONTRA DESCARGAS ATMOSFÉRICAS

IEB S.A. Página 16 de 20

Figura 10. Sistema de puesta a tierra del apantallamiento propuesto 6.3.4 Análisis de respuesta transitoria del sistema de apantallamiento  Se realizaron simulaciones con el programa “IEB-TRANSIT”, desarrollado por Ingeniería Especializada S.A., con el fin de evaluar el comportamiento del sistema de apantallamiento y el nivel de riesgo de choque eléctrico de una persona ante un impulso atmosférico promedio de 31 kA, a partir del cálculo de la energía específica que absorbe la persona durante el tiempo de exposición a la sobretensión, para lo cual se modela el sistema de apantallamiento propuesto con sus bajantes y se consideran otros parámetros como la resistividad del terreno, el calibre del conductor recomendado y la altura de la edificación. Los resultados de las simulaciones indican que la energía total absorbida por una persona en contacto con un conductor bajante a una altura de 2,0 m respecto al nivel del suelo, es de 25,34 J, valor que no supera el límite recomendado por la

Archivo: IEB-603-07-020

ALCALDÍA DE MEDELLÍN DISEÑO DEL SISTEMA APANTALLAMIENTO CONTRA DESCARGAS ATMOSFÉRICAS

IEB S.A. Página 17 de 20

norma NTC 4552 (30 J).

Figura 11. Respuesta transitoria del sistema de apantallamiento En la Figura 11 se ilustra el resultado obtenido al inyectar un impulso de corriente en el punto más alto de una de las puntas, evidenciando la evolución de la energía que recibe una persona a una altura de 2,0 m desde el nivel del suelo sobre el conductor bajante.

Archivo: IEB-603-07-020

ALCALDÍA DE MEDELLÍN DISEÑO DEL SISTEMA APANTALLAMIENTO CONTRA DESCARGAS ATMOSFÉRICAS

7

IEB S.A. Página 18 de 20

CONCLUSIONES 

a) El sector donde están ubicadas las Instalaciones de la Alcaldía del Municipio de Medellín corresponde a un sitio con un nivel ceráunico de aproximadamente 140 días tormentosos por año, por lo tanto, la construcción de un sistema de apantallamiento contra descargas atmosféricas se constituye en una necesidad, condición ratificada con la evaluación del factor de riesgo según la norma NTC 4552. b) El apantallamiento propuesto está basado en una adecuada puesta a tierra de los elementos expuestos a descargas atmosféricas, cumpliendo las normas y reglamentos eléctricos nacionales y extranjeros (RETIE, ICONTEC, NEC, etc.). Se reitera que el principio fundamental del apantallamiento es la protección de la vida y las estructuras contra descargas atmosféricas directas. c) Las instalaciones sin sistema de apantallamiento, presentan un riesgo de exposición de una descarga cada 7,87 años en promedio. Con el apantallamiento propuesto en este caso se obtiene un riesgo de una falla cada 427,35 años en promedio con una efectividad del 99,15% para la primera alternativa, mientras que para la segunda alternativa se obtiene un riesgo de falla cada 444,44 años en promedio con una efectividad de 99,17%. d) El sistema de apantallamiento propuesto consiste en la instalación de 19 puntas captadoras para la primera alternativa y 11 puntas captadoras para la segunda alternativa del diseño, cable de cobre y platinas de cobre instalado a nivel de techo y 6 bajantes, de las cuales cuatro son existentes y 2 se deberían instalar. e) El valor de la resistencia de puesta a tierra para cada bajante, en forma independiente, es decir antes de su unión con las demás mediante el cable enterrado existente, será de 22,21 Ω y el valor de la resistencia de puesta a tierra equivalente será aproximadamente de 3,78 Ω, este último valor de resistencia obtenido se considera adecuado, conforme a las recomendaciones del RETIE. Cabe anotar que el diseño ya contempla la unión del sistema de puesta a tierra del apantallamiento con la malla de la subestación eléctrica principal. f) En el análisis de respuesta transitoria del sistema de apantallamiento propuesto, se determinó que la máxima energía absorbida por una persona en contacto con una bajante durante una descarga atmosférica en el sistema será de 25,34 J, valor que está dentro del límite admisible, recomendado por la norma NTC 4552 (30 J).

Archivo: IEB-603-07-020

ALCALDÍA DE MEDELLÍN DISEÑO DEL SISTEMA APANTALLAMIENTO CONTRA DESCARGAS ATMOSFÉRICAS

8

IEB S.A. Página 19 de 20

RECOMENDACIONES 

a) Realizar una inspección del sistema de apantallamiento cada año con el objeto de determinar sus condiciones de montaje y eléctricas. En el Anexo 1 se presenta el formato propuesto para llevar a cabo esta inspección. b) Implementar y difundir una guía general de seguridad personal con el objetivo de lograr comportamientos seguros durante tormentas eléctricas en la instalación. En el Anexo 2 se presenta la guía propuesta en la norma NTC 4552. c) En caso de instalarse elementos adicionales que sobresalgan de la superficie de los techos, tales como líneas de vida, aire acondicionado o chimeneas, posteriores a este diseño, se debe rediseñar el sistema de apantallamiento, ya que dichos elementos afectan la efectividad del mismo. d) Implementar un sistema de protecciones contra sobretensiones transitorias para las redes de suministro eléctrico, de voz y de datos, siguiendo los criterios establecidos en el RETIE. e) Ver recomendaciones específicas para el montaje del sistema de apantallamiento en el informe IEB-603-07-03 “Informe con las especificaciones técnicas para el suministro e instalación del sistema de apantallamiento”.

Archivo: IEB-603-07-020

ALCALDÍA DE MEDELLÍN

IEB S.A.

DISEÑO DEL SISTEMA APANTALLAMIENTO CONTRA DESCARGAS ATMOSFÉRICAS

Página 20 de 20

REFERENCIAS [1] REGLAMENTO TÉCNICO DE INSTALACIONES ELÉCTRICAS (RETIE). MINISTERIO DE MINAS Y ENERGÍA, RESOLUCIÓN Nº 18 0466 de 2007. [2] STANDARD FOR THE INSTALLATION OF LIGHTNING PROTECTION SYSTEMS. ANSI/NFPA 780-2000 [3] PROTECTION OF STRUCTURES AGAINST LIGHTNING. IEC 1024 -1993. [4] NORMA TÉCNICA COLOMBIANA, PROTECCIÓN CONTRA DESCARGAS ELÉCTRICAS ATMOSFÉRICAS. NTC 4552-1999. [5] CÓDIGO ELÉCTRICO COLOMBIANO, NORMA TÉCNICA COLOMBIANA. NORMA ICONTEC 2050-2000. [6] IEEE GUIDE FOR MEASURING EARTH RESISTIVITY, GROUND IMPEDANCE, AND EARTH SURFACE POTENTIALS OF A GROUND SYSTEM. ANSI/IEEE Std, 81-1983. [7] Giraldo H, GE, Jiménez R, JJ y Blandón D, JC. EVALUACIÓN DEL RIESGO CONTRA LA VIDA DE SERES HUMANOS EN CONTACTO DIRECTO CON UN CONDUCTOR BAJANTE DE UN SISTEMA DE PROTECCIÓN CONTRA RAYOS. UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA, SEDE MEDELLÍN – INGENIERÍA ESPECIALIZADA S.A. 1997

Archivo: IEB-603-07-020

Anexo 1 FORMATO DE REVISIÓN Y MEDIDA DEL SISTEMA DE APANTALLAMIENTO

ALCALDÍA DE MEDELLÍN

IEB S.A.

DISEÑO DEL SISTEMA APANTALLAMIENTO CONTRA DESCARGAS ATMOSFÉRICAS - ANEXO 1

Página 1 de 1

FORMATO DE REVISIÓN Y MEDIDA DEL SISTEMA DE APANTALLAMIENTO 1. CONDICIONES MECÁNICAS Y DE MONTAJE  Actividad a realizar

Equipo necesario

Verificar que no hayan conexiones flojas o sulfatadas

N.A.

Verificar que ningún empalme se encuentre debilitado por corrosión o vibración Verificar que el cable de cada bajante no esté interrumpido Verificar la correcta fijación de las puntas y las bajantes Verificar las conexiones de las bajantes con las puestas a tierra

Observaciones Los conectores oxidados o sulfatados deberán reemplazarse por otros de cobre estañado

OK



N.A.

Efectuar la limpieza y el ajuste de elementos flojos



N.A.

Realizar las correcciones necesarias



N.A.

Realizar las correcciones necesarias



N.A.

Realizar las correcciones necesarias



2. CONDICIONES ELÉCTRICAS  Actividad a realizar Equipo necesario Medida de resistencia de puesta a tierra del sistema Telurómetro digital de apantallamiento Medida de resistencia de puesta a tierra de las bajantes

Pinza para medida en sistemas multiaterrizados

Medida de resistencia de Equipo de inyección de contacto entre cable de para medidas de tierra y tubería metálica de corriente resistencia de continuidad la bajante

Observaciones Los valores de resistencia de las bajantes deben ser inferiores a 10 Ω En caso de estar desconectada a nivel de techo una bajante, la lectura indicará infinito Los valores de resistencia de contacto deberán ser inferiores a 0,5 Ω

OK 





Archivo: IEB-603-07-020

Anexo 2 GUÍA GENERAL DE SEGURIDAD PERSONAL DURANTE TORMENTAS ELÉCTRICAS

ALCALDÍA DE MEDELLÍN

IEB S.A.

DISEÑO DEL SISTEMA APANTALLAMIENTO CONTRA DESCARGAS ATMOSFÉRICAS - ANEXO 2

Página 1 de 2

GUÍA GENERAL DE SEGURIDAD PERSONAL DURANTE TORMENTAS Cuando se tenga indicios de tormenta eléctrica es recomendable, como medida de protección tener en cuenta las siguientes instrucciones: • Aterrice y proteja adecuadamente los equipos sensibles de uso eléctrico, electrónico, telefónico o de telecomunicaciones, contra sobretensiones de acuerdo con los criterios y recomendaciones presentadas en la Norma NTC 4552, de lo contrario desconéctelos retirando el enchufe del tomacorriente evitando así el uso de ellos. • Busque refugio en el interior de vehículos, edificaciones y estructuras que ofrezcan protección contra rayos. • A menos que sea absolutamente necesario, no salga al exterior ni permanezca a la intemperie durante una tormenta eléctrica. • Permanezca en el interior del vehículo, edificación o estructura hasta que haya desaparecido la tormenta. Protéjase de los rayos en: • Contenedores totalmente metálicos. • Refugios subterráneos. • Automóviles y otros vehículos cerrados con carrocería metálica. • Viviendas y edificaciones con un sistema adecuado de protección contra rayos. Estos sitios ofrecen poca o ninguna protección contra rayos: • Edificaciones no protegidas alejadas de otras viviendas. • Tiendas de campaña y refugios temporales en zonas despobladas. • Vehículos descubiertos o no metálicos. Aléjese de estos sitios en caso de tormenta eléctrica: • Terrenos deportivos y campo abierto. • Piscinas, playas y lagos. • Cercanía a líneas de transmisión eléctrica, cables aéreos, vías de ferrocarril. tendederos de ropa, cercas ganaderas, mallas eslabonadas y vallas metálicas. • Árboles solitarios. • Torres metálicas de comunicaciones, de líneas de alta tensión, de perforación, etc. Si debe permanecer en una zona de tormenta: • Busque zonas bajas.

Archivo: IEB-603-07-020

ALCALDÍA DE MEDELLÍN

IEB S.A.

DISEÑO DEL SISTEMA APANTALLAMIENTO CONTRA DESCARGAS ATMOSFÉRICAS - ANEXO 2

Página 2 de 2

Evite edificaciones sin protección adecuada y refugios elevados. • Prefiera zonas pobladas de árboles, evitando árboles solitarios. • Busque edificaciones y refugios en zonas bajas. Si se encuentra aislado en una zona donde se esté presentando una tormenta: • No se acueste sobre el suelo. • Junte los pies. • No escampe bajo un árbol solitario. • No coloque las manos sobre el suelo, colóquelas sobre las rodillas. • Adopte la posición de cuclillas. • Evite edificaciones sin protección adecuada y refugios elevados. • Prefiera zonas pobladas de árboles, evitando árboles solitarios. • Busque edificaciones y refugios en zonas bajas. Si se encuentra aislado en una zona donde se esté presentando una tormenta: • No se acueste sobre el suelo. • Junte los pies. • No escampe bajo un árbol solitario. • No coloque las manos sobre el suelo, colóquelas sobre las rodillas. • Adopte la posición de cuclillas. •

Archivo: IEB-603-07-020