Ingeniería Eléctrica · 2011
Protección contra rayos, sistema de protección externa para edificaciones de uso final
El presente documento muestra de forma general el sistema integral de protección contra rayos SIPRA, más específicamente el sistema de protección externo SPE, basado en la norma técnica Colombiana NTC 4552, 2008. En su primer capítulo, este trabajo de grado presenta conceptos generales a cerca de los parámetros más relevantes del rayo, un panorama del SIPRA, normativa, y finalmente expone conceptos generales del sistema de protección externo y la forma en cómo este se compone. En su segundo capítulo, se describe el sistema de captación, métodos electrogeométricos y aplicaciones. El tercer capítulo describe el sistema de conductores bajantes, distancias de aislamiento eléctrico, bajantes naturales, sistemas eléctricamente aislados y no aislados. El cuarto capítulo expone conceptos básicos sobre sistemas de puesta a tierra, elementos que lo componen, tipos de configuraciones propuestas por la NTC 4552-3 y equipotencialización. En el quinto capítulo se realizó el diseño del sistema de protección externa para el edificio Álvaro Beltrán Pinzón ubicado dentro de las instalaciones de la Universidad Industrial de Santander, la metodología implementada consistió en una evaluación del diseño de protección existente y el rediseño del mismo lo que implicó una nueva evaluación de riesgo, diseño de un nuevo sistema de captación, un nuevo sistema de conductores bajantes y un nuevo sistema de puesta a tierra. Finalmente se desarrolló una guía básica fiProtección contra rayos, sistema de protección externa SPEfl.
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Contenido
- INTRODUCCIÓNp. 20
- CONCEPTOS GENERALESp. 21
- HISTORIA DEL RAYOp. 21
- EL FENÓMENO DEL RAYOp. 22
- Descargas entre nubesp. 22
- Descarga entre nube y la ionosferap. 22
- Descarga entre nube-tierra o tierra-nubep. 22
- 1.2.3.1 Descargas de rayo descendentesp. 23
- 1.2.3.2 Descargas de rayo ascendentesp. 23
- PARÁMETROS DEL RAYOp. 25
- Amplitud de la corriente de retorno de rayo (I)p. 28
- La carga de la corriente de rayo (Q)p. 29
- La energía específica de la corriente de rayo (W/R)p. 30
- La pendiente media de la corriente del rayo (∆/∆)p. 31
- NORMA TÉCNICA COLOMBIANA NTC 4552p. 36
- SISTEMA INTEGRAL DE PROTECCIÓN CONTRA RAYOS (SIPRA)p. 37
- Sistema de protección externo (SPE)p. 39
- Sistema de protección interna (SPI)p. 39
- Sistema de prevenciónp. 40
- 1.5.3.1 Guía de seguridad personalp. 41
- 1.5.3.2 Sistema de alarma y detección de rayosp. 42
- NIVELES DE PROTECCIÓN CONTRA RAYOS (NPR)p. 42
- ZONAS DE PROTECCIÓN CONTRA RAYO (ZPR)p. 45
- Zonas externasp. 46
- 1.7.1.1 ZPR 0Ap. 46
- 1.7.1.2 ZPR 0Bp. 46
- Zonas internasp. 46
- 1.7.2.1 ZPR 1p. 46
- 1.7.2.2 ZPR 2…np. 46
- DISPOSITIVOS DE CAPTACIÓNp. 48
- SISTEMA DE CAPTACIÓNp. 48
- Varillas tipo Franklin o bayonetasp. 49
- Hilos de tendido o cables colgantesp. 49
- Malla de conductores o jaulas malladasp. 49
- Dispositivos de cebadop. 49
- MÉTODOS DE CAPTACIÓN AÉREAp. 50
- MÉTODO ELECTROGEOMÉTRICOp. 50
- Método de la esfera rodante (MER)p. 51
- Método del ángulo de protecciónp. 54
- 2.3.2.1 Tipo de instalación de protección en relación al volumen a protegerp. 55
- Método del enmalladop. 59
- 2.3.3.1 Características generales del enmalladop. 60
- Construcción del sistema de captación aéreap. 62
- SISTEMA DE CONDUCTORES BAJANTESp. 67
- BAJANTESp. 67
- TIPOS DE SISTEMA DE BAJANTESp. 67
- Sistema aislado eléctricamente de la estructurap. 67
- Sistema no aislado o unido eléctricamente a la estructurap. 68
- AISLAMIENTO ELÉCTRICO DEL SISTEMA DE PROTECCIÓNp. 69
- CONDUCTORES BAJANTESp. 69
- PARTES EXTERNAS METÁLICASp. 77
- Uniones equipotenciales contra descargas eléctricas atmosféricasp. 77
- 3.5.1.1 Unión equipotencial para instalaciones metálicasp. 77
- 3.5.1.2 Unión equipotencial para partes conductoras externasp. 77
- CONSTRUCCIÓN DEL SISTEMA DE CONDUCTORES BAJANTESp. 77
- Estructuras en concreto reforzadop. 78
- 3.6.1.1 Utilización del refuerzo del concretop. 79
- 3.6.1.2 Soldadura o sujeción a las varillas de acero de refuerzop. 80
- 3.6.1.3 Materialesp. 80
- 3.6.1.4 Corrosiónp. 110
- 3.6.1.5 Cimentación como terminales de tierrap. 81
- 3.6.1.6 Uniones de expansiónp. 81
- CONDUCTORES BAJANTESp. 69
- Elementos metálicosp. 83
- Acero de concreto reforzadop. 83
- Concreto pre-prensadop. 83
- Marcos metálicos y/o elementos de fachadap. 83
- SISTEMAS DE BAJANTESp. 84
- Uniones de pruebap. 85
- SISTEMA DE PUESTA A TIERRAp. 86
- TIERRAp. 61
- Tomas de tierrap. 89
- 4.1.1.1 Electrodosp. 89
- Anillos de enlacep. 91
- Punto de puesta a tierrap. 91
- Líneas principales de tierrap. 91
- PROPIEDADES ELECTROMAGNÉTICAS DE LAS TIERRASp. 92
- Resistividad del suelop. 92
- 4.2.1.1 Métodos para la reducción de la resistencia eléctricap. 94
- CONFIGURACIONES DEL SISTEMA DE PUESTA A TIERRAp. 96
- Configuración tipo A ó radialp. 96
- Configuración tipo B ó anillop. 97
- RAYO EN LA ESTRUCTURAp. 98
- CABLE DE ENTRADA PARA EVITAR CHISPAS PELIGROSASp. 100
- DE CONTACTOp. 102
- INSTALACIÓN DEL SISTEMA DE PUESTA A TIERRAp. 104
- Electrodos de puesta a tierra de cimentaciónp. 104
- Electrodos de puesta a tierra radial y verticalp. 105
- Electrodos de puesta a tierra en anillosp. 106
- Electrodos de puesta a tierra en suelo rocosop. 108
- Sistemas de puesta a tierra en grandes áreasp. 108
- MATERIALES, DIMENSIONES Y CONEXIONESp. 109
- Protección contra la corrosiónp. 112
- 4.8.1.1 Metales en el suelo y airep. 112
- 4.8.1.2 Metales en concretop. 114
- APLICACIÓN EDIFICIO ÁLVARO BELTRÁN PINZÓNp. 115
- DESCRIPCIÓN GENERAL DEL EDIFICIOp. 115
- EN EL EDIFICIO ÁLVARO BELTRÁN PINZÓNp. 116
- DISEÑO DEL SISTEMA DE PROTECCIÓN EXTERNAp. 123
- Evaluación del nivel de riesgop. 124
- Diseño del sistema de captaciónp. 123
- CÁLCULOS DE LA ESFERA RODANTEp. 130
- 5.3.2.2 Instalación del sistema de captaciónp. 132
- Diseño del sistema de conductores bajantesp. 134
- 5.3.3.1 Aislamiento eléctricop. 104
- 5.3.3.2 Instalación del sistema de conductores bajantesp. 138
- Diseño del sistema de puesta a tierrap. 86
- 5.3.4.1 Configuración tipo A o radialp. 139
- 5.3.4.2 Configuración tipo anillo o tipo Bp. 140
- 5.3.4.3 Corriente parcial de rayo ()p. 141
- 5.3.4.4 Cálculo del calibre del conductor de la mallap. 142
- CONCLUSIONESp. 145
- BIBLIOGRAFÍAp. 146
- ANEXOSp. 147
- Figura 1. Rayo descendente (rayo nube-tierra)p. 23
- Figura 2. Rayo ascendente (rayo tierra – nube)p. 23
- (Rayo nube – tierra)p. 24
- (Rayo nube – tierra)p. 24
- (Rayo tierra – nube)p. 25
- Figura 6. Descarga de corta duraciónp. 26
- Figura 7. Descarga de larga duraciónp. 26
- Figura 8. Posibles componentes de una descarga de rayo descendentep. 27
- Figura 9. Posibles componentes de una descarga de rayo ascendentep. 27
- rayop. 31
- específica de la corriente del rayop. 31
- de la corriente de rayop. 32
- bucles cuadradosp. 33
- Figura 16. Sistema de protección contra rayosp. 38
- Figura 17. Sistema Integral de Protección contra Rayos SIPRAp. 38
- Figura 18. Sistema de Protección Externop. 39
- Figura 19. Sistema de Protección Internop. 40
- Figura 20. Zonas de protección contra rayos ZPR, definidas para un SIPRAp. 47
- Figura 21. Avances de cebado en puntas de captaciónp. 50
- mismap. 67
- complejap. 54
- protecciónp. 45
- verticalp. 55
- Figura 26. Método del ángulo de protección para sistemas aisladosp. 56
- Figura 27. Ángulo de protección para sistemas no aisladosp. 58
- Figura 28. Método del enmalladop. 60
- Figura 29. Método del enmallado en techos inclinadosp. 61
- en el techop. 63
- suministro eléctricop. 63
- Figura 32. Protección contra rayos de una casa con antena de TVp. 65
- Figura 33. Sistema de bajantes no aisladop. 68
- Figura 34. Distancia de separación para una estructura con viga voladizap. 71
- Figura 35. Cable colgante con sistema de puesta a tierra tipo Bp. 73
- Figura 36. Sistema de captación reticulado con puesta a tierra tipo Bp. 73
- tierra tipo Bp. 74
- en el lomo y puesta a tierra tipo Ap. 75
- Figura 39. Curvatura de conductoresp. 78
- acerop. 110
- Figura 41. Puntos de conexión al refuerzo en una pared de concreto reforzadop. 80
- en una estructura de refuerzo de acero en concretop. 82
- Figura 43. Conexión de soportes de fachadap. 84
- metálicap. 85
- atravesados por la corriente del rayop. 88
- Figura 46. Elementos del sistema de puesta a tierrap. 90
- Figura 47. Esquema de un sistema de puesta a tierrap. 92
- paralelo; resistividad aparente 600 Ω-mp. 94
- Figura 49 .Tierra tipo A vertical y horizontalp. 96
- NPRp. 43
- Figura 51. Configuración de puesta a tierra tipo Bp. 98
- Figura 52.Tensión de contactop. 102
- Figura 53. Tensión de pasop. 103
- diferente diseño de cimentaciónp. 104
- Figura 55. Electrodo de puesta a tierra tipo A con conductor tipo verticalp. 106
- Figura 56. Electrodo de puesta a tierra tipo A con varilla verticalp. 106
- Figura 57. Control de potencialp. 107
- industrialp. 156
- Figura 59. Fachada Edificio Álvaro Beltrán Pinzónp. 115
- Figura 60. Evaluación del numero anual de eventos peligrososp. 117
- descarga cerca o directa en las acometidas de serviciop. 119
- público, de valor cultural y económicasp. 120
- Figura 64. Evaluación componentes de riesgop. 121
- Figura 65. Resultado evaluación de riesgop. 121
- Fachada principalp. 123
- Fachada principalp. 123
- edificio Álvaro Beltrán Pinzónp. 116
- Beltrán Pinzónp. 125
- sistemas, edificio Álvaro Beltrán Pinzónp. 126
- descarga cerca o directa en las acometidas de serviciop. 126
- público, de valor cultural y económicasp. 127
- Figura 73. Evaluación componentes de riesgop. 127
- Figura 74. Resultado evaluación de riesgop. 128
- Figura 75. Terraza nivel superior edificio Álvaro Beltrán Pinzónp. 129
- Pinzónp. 125
- Figura 77. Instalación sistema de captaciónp. 133
- Figura 78. Fachadas edificio Álvaro Beltrán Pinzónp. 134
- Figura 79. Instalación sistema de conductores bajantesp. 138