Diseño de un sistema integral de protección contra rayos SIPRA de acuerdo a la norma colombiana NTC 4552 para una bodega ubicada en Tenjo, Cundinamarca; Colombia

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Diseño del Sistema Integral de Protección Contra Rayos (SIPRA)
para una Bodega Ubicada en Funza Cundinamarca
Felipe Ignacio Guarnizo Vargas1
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Escuela Colombiana de Ingeniería Julio Garavito, Bogotá D.C., Colombia
De acuerdo al Reglamento de Instalaciones Eléctricas de Colombia RETIE en el artículo 16 establece que para las instalaciones donde
aplique el reglamento se debe desarrollar un sistema integral de protección contra rayos (SIPRA), conducente a mitigar los riesgos
asociados con la exposición directa e indirecta a los rayos. Para lo cual es necesario basarse en procedimientos establecidos
en normas técnicas internacionales como la IEC 62305, de reconocimiento nacional o la NTC 4552.
Términos clave— Análisis de riesgo, Método de la esfera rodante (MER), sistema externo de protección (SEP), sistema integral de
protección contra rayos (SIPRA), sistema interno de protección (SIP).
I. INTRODUCCIÓN
N EL PRESENTE DOCUMENTO se muestra cómo se realizó el
diseño de un sistema integral de protección contra rayos
(SIPRA), para una bodega ubicada en Funza Cundinamarca.
Para lo anterior se tuvieron en cuenta las normas NTC 4552,
4552-1, 4552-2 y 4552-3, con las cuales se analizaron aspectos
constructivos y se realizó el análisis del riesgo, de igual manera
se utilizó el estándar IEEE 80-2000 para el diseño de la puesta
a tierra. Se utilizó el método de la esfera rodante para el diseño
del sistema de protección externo (SPE).
II. DISEÑO DEL SIPRA
A. Esquema de desarrollo del SIPRA
En la figura 1 el siguiente esquema se presenta
esquemáticamente el sistema integral de protección contra
rayos recomendado para Colombia por la NTC 4552.
Fig. 1. Sistema integral de protección contra rayos (SIPRA). [1]
B. Determinación del nivel de riesgo
La evaluación del nivel de riesgo se realiza con el fin de
determinar si se requiere implementar un sistema de
protecciones contra rayos y si es requerido establecer las
acciones que permitan disminuir el riesgo a un nivel tolerable.
El nivel de riesgo se obtiene de la ponderación de los
indicadores de exposición al rayo y de la gravedad que puede
implicar un impacto directo o indirecto del rayo sobre una
estructura.
Fig. 2. Esquema para la determinación del nivel del riesgo según norma NTC
4552. [1]
Primero se debe determinar la densidad de descargas a tierra
E

2. 2
para esto se emplea la siguiente tabla de la NTC 4552-1, para
este caso se asume la densidad de descargas de Bogotá D.C.
Fig. 3. Densidad de descargas a tierra para algunas ciudades de Colombia. [2]
Ahora para calcular Iabs (corriente pico absoluta promedio)
para esto se emplea la siguiente grafica tomada de la NTC
4552-1, “Los valores máximos de los parámetros de corriente
de rayo del nivel I (NPR) se reduce a 75% para el nivel II, ya
50% para los niveles III y IV”.[2]
Fig. 4. Curva de probabilidad acumulada de corriente de retorno negativa.[2]
Con la gráfica anterior se obtuvo el valor de Iabs el cual fue
de 40kA.
Una vez seleccionados los valores de Iabs y DDT se procede
a estimar los parámetros del rayo; se establece un nivel medio
tomado de la siguiente tabla.
Fig. 5. Indicador de parámetros del rayo. [1]
Para obtener el indicador de gravedad (IG) se emplea la
siguiente ecuación:
Fig. 6. Ecuación para el cálculo del indicador de gravedad (IG). [1]
Fig. 7. Uso de la estructura. [1]
Fig. 8. Tipo de estructura. [1]
Fig. 9. Altura y área de la estructura. [1]
𝐼 𝐺 = 30 + 20 + 10 = 60

3. 3
Fig. 10. Tabla Indicador de gravedad. [1]
Tras realzar la suma de subindicadores de estructura y buscar
en la tabla de indicadores de gravedad se estableció una
gravedad media.
Fig. 11. Matriz de niveles de riesgo. [1]
Tras analizar la gravedad y los parámetros del rayo, se
estableció que el índice de riesgo de la estructura es medio.
Fig. 12. Acciones recomendadas según el nivel de riesgo. [1]
Según la anterior tabla de la NTC 4552 se recomienda
implementar un sistema de protección interna, un Sistema de
protección externa y tener los cableados según NTC 20150 o
IEEE 1100.
C. Sistema de protección interna (SPI)
El Sistema de protección interno incluye el cálculo de
dispositivos de protección contra sobre tensiones DPS.
Calculo del DPS:
Para seleccionar el DPS es necesario seleccionar los
siguientes subindicadores:
Dado que el nivel cerunico es de 160 días tormentosos al año
según la alcaldía de Bogotá se selecciona un nivel alto en cuanto
a la ubicación geográfica.

4. 4
Fig. 13. Tablas Sub-Indicadores [5]
Sub-indicador Tipo Puntos
Nivel Ceraumico Alto 18
Ambiente Sub-Urbano 6
Construcción Mediano 6
Acometida Independiente 1
Disturbios Escasos 1
Reparación Moderada 11
Equipos Pueden
Detenerse 3
Total Índice de exposición 46
Fig. 14. Calculo del índice de exposición.
Fig. 15. Tablas selección de DPS [5]
Se seleccionó un DPS clase B. para corrientes de 120kA para
onda de prueba de 8/20 μs y 80kA 10/350 μs, según estándar
ANSI/IEEE C 62.41.
D. Evaluación del nivel de riesgo
Para el análisis de riesgo se empleó la norma NTC 4552-2 y
se calcularon las componentes del riesgo considerando los
siguientes supuestos:
a) Objeto rodeado de objetos o árboles de igual o
menor altura, debido a que esta se encuentra ubicada
en un parque industrial.
b) Transformador con devanado primario y secundario
desacoplado eléctricamente, se asume un
transformador propi de la instalación eléctrica de la
bodega.
c) Ambiente sub-urbano ya que en el parque industrial
los edificios tienen alturas de menos de 10 metros.
d) Estructura protegida contra rayos nivel III, se
determinó en el numeral B de determinación de nivel
de riesgo.
e) Nivel de protección DPS IV-II, se calculó DPS para
tableros de distribución e instalaciones fijas.
f) Tensión disruptiva soportable en función del tipo de
cable 3kV.
g) Se calcula para personas dentro de la estructura.
h) Se calcula como industria.
i) Se calcula con sistema de extintores automáticos y
sistema de alarma automáticos.
j) Nivel de pánico bajo ya que es una edificación en la
que se espera que estén menos de 100 personas.
k) Piso agricultura, concreto.
l) Como no se conoce la resistividad del suelo se asume
un valor de 500 Ω-m como lo especifica la NTC
4552-2.
m) Cantidad de pérdidas en presencia de eventos,
ordinaria.
Tras evaluar las componentes del riesgo se observa que los
supuestos de este diseño cumplen con lo estipulado en la norma
NTC 4552-2.

5. 5
Fig. 16. Salidas hoja de cálculo análisis de riesgo. [6]
E. Sistema de protección externo (SPE)
Para el diseño del sistema de protección externo se utilizó el
método electro geométrico de la esfera rodante. El radio de la
esfera se seleccionó de acuerdo a la tabla de la figura 17 tomada
de la NTC 4552-3 y del nivel de riesgo cuantificado en el
numeral B se escogió un radio de 50 metros para el nivel III.
Fig. 17. Valores máximos Del radio de la esfera rodante según el nivel de
protección. [4]
Se ubicaron 95 terminales de captación de 0.6 metros de
longitud y separados 12 metros entre sí como lo muestra la
figura.
Fig. 18. Requerimientos para las bajantes. [1]
De acuerdo con la anterior taba tomada de la NTC 4552 el
número mínimo de bajantes para el edificio de 14 metros de
altura es 2, sin embargo se ubicaron 6 bajantes, 3 ubicadas en
los costados derecho e izquierdo del edificio y separadas 56.68
metros, con el fin de lograr una equipotencializacion efectiva
del sistema externo de protección.
A continuación se presentan las vistas por fachada del
sistema de apantallamiento.
Fig. 19. Apantallamiento fachada frontal.
Fig. 20. Apantallamiento fachada lateral derecha.
Fig. 21. Apantallamiento fachada lateral izquierda.
Para observar en detalle el sistema de apantallamiento ver los anexos:
a) BODEGA SIPRA POSTERIOR E IZQUIERDA.pdf
b) BODEGA SIPRA VISTA FRONTAL Y
DERECHA.pdf
c) BODEGA ELEMENTOS SPE.pdf
Elementos del sistema de protección externa
Nombre Unidad Cantidad
Punta captadora 0,6 m U 95
Grapa Cu/Al tipo A 8-10/ 16mm U 95
Cable de aluminio 2/0 AWG m 762
Cable de aluminio 1/0 AWG m 72
Grapa Al/Al tipo A 8-10/ 16mm u 8
Soporte Aislador u 102
Soldadura exotérmica pto 7
Fig. 22. Materiales Sistema de protecciones externas.

6. 6
F. Sistema de puesta a tierra
Para el diseño del sistema de puesta a tierra se tuvieron en
cuenta los siguientes supuestos:
a) Resistividad del suelo de acuerdo a la NTC 4552-2
ρ= 500 Ω-m.
b) Resistividad de la capa superficial, asumiendo que
esta sea de concreto, según la tabla 7 del Estándar
IEEE 80-2000, ρs= 10000 Ω-m. [7]
c) Corriente de falla monofásica 3I0 = 3kA.
d) Tiempo de despeje de la falla Ts=0,1 s.
e) Factor de peso 50 kg.
f) Tipo de conductor de la malla, Acero inoxidable 304,
2/0 AWG.
g) Dimensiones Lx=20 m, Ly=20 m.
La siguiente figura corresponde al cálculo de la malla de
puesta a tierra.
Fig. 23. Salidas plantilla cálculo de puesta a tierra.
El diseño desarrollado con los supuestos cumple con el
estándar IEEE 80-2000, ya que las tensiones de paso y toque
calculadas son menores a las máximas tensiones de paso y
toque permitido.
Fig. 24. Características del suelo.
Fig. 23. Forma de la malla de puesta a tierra.

7. 7
En la siguiente tabla se presenta la lista de materiales necesarios para la
construcción de la malla de puesta a tierra.
Elementos del sistema de puesta a tierra
Nombre Unidad Cantidad
Alambre de acero inoxidable 308
2/0 AWG
m 2430
Soldadura exotérmica pto 122
Fig. 24. Materiales Sistema de puesta a tierra.
G. Mantenimiento e inspección del SIPRA
Fig. 25. Máximo periodo entre inspecciones de un SIPRA. [4]
La anterior tabla muestra cada cuanto debe ser inspeccionada la instalación ya
sea de forma visual o completa. La inspección debe realizarse cada año si es un
ambiente explosivo.
III. CONCLUSIONES
El diseño del SIPRA comprende aspectos a tener en cuenta
como, ser un diseño económico manteniendo cubierto el riesgo
tolerable.
Para el diseño siempre debe realizando el análisis de riego
de manera responsable, en caso de riesgo elevado de pérdidas
humanas, económicas o de servicios públicos deberá diseñarse
con la robustez necesaria para garantizar el cubrimiento del
mínimo riesgo tolerable y un factor de seguridad.
La instalación requiere una revisión y mantenimiento
periódico, especialmente en ambientes explosivos, ya que
dependiendo de los factores ambientales el SIPRA puede
deteriorarse rápidamente.
REFERENCIAS
[1] Norma Técnica Colombiana, NTC 4552 protección contra (rayos).
Principios generales.
[2] Norma Técnica Colombiana, NTC 4552-1 Protección Contra Descargas
Eléctricas Atmosféricas (rayos): Manejo Del Riesgo.
[3] Norma Técnica Colombiana, NTC 4552-2 Protección Contra Descargas
Eléctricas Atmosféricas (rayos): Manejo Del Riesgo.
[4] Norma Técnica Colombiana, NTC 4552-3 Protección Contra Descargas
Eléctricas Atmosféricas (rayos): Daños físicos a estructuras y amenazas a
la vida.
[5] E.E Luis López. Exposición SIPRA.
[6] E.E Luis López. Plantilla del riesgo.
[7] IEEE. Std 80-200.