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UNIVERSIDAD ALBERT EINSTEIN FACULTAD DE INGENIERÍA

SISTEMAS DE PROTECCION CONTRA RAYOS EN EL SALVADOR, SITUACION ACTUAL Y MALAS PRACTICAS DE INGENIERIA, PROPUESTA DE MEJORAMIENTO Y NORMALIZACION. PREVIA OPCIÓN AL TÍTULO DE: INGENIERO ELECTRICISTA TRABAJO DE GRADUACIÓN PRESENTADO POR: RIGOBERTO CUELLAR SANCHEZ

AGOSTO DE 2017 ANTIGUO CUSCATLÁN, LA LIBERTAD, EL SALVADOR, C.

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Universidad Albert Einstein

INTRODUCCIÓN

Las descargas eléctricas atmosféricas, mejor conocidas como rayos, son unos de los fenómenos naturales con más impacto sobre la tierra, el rayo constituye la mayor de las perturbaciones electromagnéticas que afectan el desempeño de los sistemas e instalaciones en todo el mundo, es este fenómeno la principal causa de interrupción y salida de líneas de transmisión y/o distribución, así como de daños en las mismas y equipos electrónicos sensibles. Se suman también los graves daños y lesiones en los seres vivos que los rayos pueden provocar, causando incluso la muerte. Partiendo de la presencia del rayo como un fenómeno natural e inevitable, se busca la forma de mitigar los daños no solo de pérdida de vida sino también de bienes económicos. Una metodología apropiada para la protección contra rayos consiste en realizar una evaluación de riesgo y la posterior implementación de un sistema integral de protección contra rayos. Ante la faltas de normativas nacionales claras y vigilantes en el panorama profesional y la necesidad de implementar sistemas seguros de protección contra rayos (SPR´s), se desarrolla el trabajo de graduación “Sistemas de protección contra rayos en El Salvador, situación actual y malas prácticas de ingeniería, propuesta de mejoramiento y normalización”, que constituye

una serie de observaciones de instalaciones de SPR´s, medidas, aplicaciones y métodos de protección, así también la investigación y análisis de reglamentos técnicos y normas internacionales pretendiendo ilustrar una filosofía correcta de previsión y protección ante rayos, salvaguardando estructuras o vidas en riesgo en el territorio nacional.

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PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

En nuestro territorio, El Salvador, un país en vías desarrollo, la creación o proceso de adopción actual de normas para sistemas adecuados de protección contra rayos es nula, esto, dado que si bien se cuenta con institutos o comités encargados de velar por las normalización en general aún no se han proyectado el tema en específico, por ello, y en el peor de los casos son las tendencias de diseño erróneas y una promoción de “aparatos pararrayos novedosos” los que guían a los ingenieros en la creación de sistemas de protección contra rayos. Así a medida que se presentan en el campo profesional problemas de ingeniería y diseño en este tipo de instalaciones no se cuentan con estándares actualizados y adecuados, una filosofía en común que evite cometer errores por falta de códigos aceptados y aprobados en el momento del diseño y planteamiento del problema. Estos errores, detalles de diseño y empleo de técnicas no normadas se vuelven “aceptadas” en el transcurso del tiempo y en el medio profesional, pero representan fallas en

cuanto a normativas internacionales, volviéndose inseguras y/o inadecuadas para un sistema de protección de este tipo. JUSTIFICACIÓN

Ya que en nuestro país existe muy poco movimiento y discusión sobre las técnicas para diseñar sistemas de protección contra rayos, y aunado a la carencia de la autoridad institucional (OSN y OSARTEC) que dicte y normalice los parámetros de diseño de estos tipos de sistemas, consideramos de manera importante realizar una serie de análisis, estudios y comparaciones que muestren la realidad en cuanto a la ingeniería normada y no normada aplicada al diseño de sistemas de protección contra rayos en el país, además de la propuesta de adopción de una serie de normas paliativas, normativas aceptadas internacionalmente y 2

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cuya finalidad sea mejorar la perspectiva del desarrollo de sistemas de protección discutidos en este documento. Creando una filosofía de diseño en común en el ámbito ingenieril. Que esto sirva como base para la posterior norma oficial y poder realizar mejores diseños que satisfagan de la forma más adecuada las necesidades de seguridad específicas de las estructuras y de las personas a salvaguardar.

CONCEPTUALIZACIÓN DEL TEMA

El fenómeno de descarga eléctrica, desarrollado desde la perspectiva de magnetismo y electricidad, se describe como la propagación de un flujo de intensidad de corriente eléctrica a través de un conductor, como el aire. En la atmosfera las descargas eléctricas tienen lugar en las nubes del tipo cumulonimbos, erupciones volcánicas, tormentas de arena y nieve, refiriéndose usualmente a estas descargas como rayos. El método actual aceptado como el más adecuado es el sistema integral de protección contra rayos el cual es usado para minimizar los efectos directos o indirectos causados a una estructura o conjunto de estructuras y seres vivos por impactos cercanos de rayos, refiriéndose a efectos directos como los causados por el impacto de la corriente de rayo en el sistema de captación y a efecto indirecto como las tensiones inducidas dentro de las instalaciones debidas a la variación de corriente de rayo Los Propietarios, los usuarios y toda persona cercana a los objetos o estructuras propensas a impactos de rayos necesitan estar seguros. Por tal motivo, se necesita implantar un sistema normativo de sistemas de protección contra rayos (SPR), es decir una adopción de normas ya establecidas. Técnicamente la adopción (en nuestro caso de estudio) podría definirse como el proceso de aceptación de una 3

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normativa de seguridad contra rayos más madura y desarrollada, adoptando los códigos y normas creados por instituciones de renombre (IEC, NFPA). Para nuestro caso el establecimiento de una política de seguridad contra rayos debe tener en cuenta criterios mínimos aceptables, con una alta relación costo/beneficio y probada eficacia para cualquier tipo de edificación además de criterios climáticos-geográficas propios de la zona en la que el Salvador se encuentra. OBJETIVOS OBJETIVO GENERAL

Llevar a cabo un estudio general sobre la situación actual en el diseño e implementación de sistemas de protección contra rayos en el territorio nacional, sus fallas de ingeniería más comunes, sus normas actuales (de existir alguna) y proponer el mejoramiento basado en la adecuada adopción de solidos estándares internacionales. OBJETIVOS ESPECÍFICOS

1. Estudiar los conceptos teóricos-físicos relacionados al fenómeno del rayo, formación y desarrollo, principios básicos, efectos de su impacto y sistemas de protección. 2. Describir las diferentes normas existentes y tipos de protección de protección contra rayos (convencionales y no convencionales). 3. Estudiar los conceptos relacionados con diseño de Sistemas de Protección contra rayos y puesta tierra propia de un SPR, protección de sistemas eléctricos y equipos. 4. Analizar los sistemas de protección contra rayos en el país. Describiendo las principales fallas o malas prácticas llevadas a cabo en el diseño. 5. Exponer la realidad del país en cuanto al diseño y estado actual de los sistemas de protección contra rayos en el ámbito ingenieril profesional.

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6. Estudiar los criterios para el diseño de sistemas de protección contra rayos y puesta a tierra de las normas IEC y americanas (NFPA). 7. Establecer criterios para la inspección y mantenimiento de un sistema de protección contra descargas eléctricas atmosféricas. 8. Proponer una serie de normas a adoptar basadas en los estándares internacionales que mitiguen las malas prácticas (de encontrarse) y que mejoren el panorama y diseño de sistemas de protección contra rayos en el país. ALCANCES

El presente proyecto tiene como finalidad exponer la realidad nacional de los sistemas de protección contra rayos en términos generales para ciertas áreas, si bien el enfoque se vierta más a nivel industrial, comercial y grandes construcciones civiles, esto no impide su implementación en áreas más específicas. La visión es proponer la implementación de normas que se adecuen al panorama actual y a nuestra realidad, normas que mitiguen posibles errores y guíen las practicas fuera de norma más comunes. En breve: “el mejoramiento en el tema a través de la propuesta de adopción de normativas”. Esto es no reinventaremos la rueda, solo se analizará cual norma actual es la mejor opción para adoptar según criterios geográficos-climáticos, cadenas de confianza, facilidad de adopción, etc. LIMITACIONES

De las posibles limitaciones del proyecto, se pueden mencionar las siguientes: La investigación abarca únicamente los sectores civiles, industria, comercio, servicios públicos, para mediana y gran empresa.

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La propuesta se limita al enunciado de la norma a adoptar mas no a la creación de un borrador basado en las mismas. Se limita la obtención y uso de datos Isoceraunicos a los últimos obtenidos para a actualización del mapa ceraunico de El Salvador en 2008. METODOLOGÍA DE INVESTIGACIÓN

Esta investigación estará dirigida a la discusión del estado actual de los sistemas de protección contra rayos en el país y el mejoramiento a través de normas de diseño y construcción internacionales de dichos sistemas. Su implementación adecuada y las malas prácticas actuales en estructuras de subestaciones, líneas de transmisión y/o estructuras civiles. El proceso de dicha investigación se detalla a continuación: Investigación bibliográfica: corresponderá toda la recopilación de información

relacionada con las normas que rigen y brindan apoyo de diseño en cuanto a este campo, principios teóricos, comparaciones entre las distintas normas y aplicación de las mismas, ventajas y desventajas entre normas a proponer. Investigación de campo: comprenderá las visitas técnicas realizadas en lugares

(estructuras, instalaciones en subestaciones, torres, etc.) donde se implementen sistemas de protección contra rayos, y/o lugares que deberían de poseer uno y sin embargo carecen del mismo. Basicamente con una inspección visual y tomas fotográficas bastaran para constatar la topología y características de cualquier tipo de instalación de sistemas contra rayos. Discusión sobre las malas prácticas y diseño dentro y fuera de normas: Determinar y

señalar las distintas prácticas no normadas que hacen de algunos sistemas no aptos para su 6

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instalación en la zona afectada. Identificando los detalles técnicos que hacen de esa instalación inadecuada para su propósito. Propuesta de mejoramiento y normalización: una vez determinada el estado actual de

los sistemas y su situación frente a los estándares correctos se procederá a la propuesta de adopción de una serie de normas ya establecidas para el mejorar el diseño y por tanto el funcionamiento del sistema de protección contra descargas atmosféricas. DESCRIPCIÓN DE LA ETAPA DE INVESTIGACIÓN

Para el entendimiento del fenómeno natural del rayo se recurren a bibliografías académicas de un alto nivel, entre cuyos autores de renombre están el Dr. Horacio Torres, colombiano científico muy conocedor del tema de rayos, el Dr. Martin A. Uman especialista en el tema de rayos. Se abarco brevemente los conceptos claves que nos dan idea acerca del acercamiento e idea que la humanidad a tenido acerca del fenómeno, desde la antigua Grecia hasta la segunda mitad del siglo XVIII con Benjamín Franklin, pasando por los electricistas del siglo XVIII que dieron las bases para el nacimiento del moderno mito de la electricidad y una visión más vanguardista del fenómeno atmosférico. Se indaga la teoría del rayo desde su origen en la atmosfera, donde las descargas eléctricas tienen lugar en las nubes del tipo cumulonimbos, erupciones volcánicas, tormentas de arena y nieve, y es usualmente a estas descargas a las que se les denomina rayos. Una parte importante del tema a investigar fue también los diferentes tipos de protección atmosféricas existentes, desde artefactos con materiales radioactivos hasta aquellos que dicen atraer los rayos bajo principios que desafían la física misma de la formación del rayo. Bajo toda lupa llegamos a uno de los sistemas, mas bien el único, que 7

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actualmente es respaldado por grandes organizaciones peritas en el tema de descargas atmosféricas, dicho sistema se conoce como SIPRA, o Sistema Integral de protección contra rayos, y es el conjunto de técnicas y conocimientos adquiridos a través de la historia unidos en un sistema capaz de brindar protección integral (externa e interna) ante el impacto de un rayo. Una vez conocido el fenómeno se desarrollan los conceptos relacionados a las normativas actuales, códigos como el IEC 62305 o NFPA 780, los dos mayores representantes de esta rama de instalaciones eléctricas. Se ahonda en las ideas y teoría básica de adopción de normas y los organismos competentes en el territorio nacional, como lo es el OSN (Organismo Salvadoreño de Normalización), se profundiza en las normas en búsqueda de aquella que cumpla con los criterios adecuados. DESCRIPCIÓN DE LA ETAPA DE PRONÓSTICO.

Para el progreso de la investigación fue necesario conocer los diferentes tipos de sistemas de sistemas de protección contra rayos y las normativas más sobresalientes y con mayor respaldo con el propósito de seleccionar la más idónea para ser adoptada en El Salvador. Tras una inspección visual en las visitas a diferentes instalaciones es comprobable el pronóstico del panorama de inundación de tecnologías tipo E.S.E o de emisión temprana, el mal estado de las mismas y hasta la falta de protocolos para desmontaje de equipo con riesgo de radiación. También se verifico que actualmente no existe una propuesta o borrador de norma para sistemas de protección contra rayos en las bases de datos del organismo salvadoreño de normalización.

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Descripción de la etapa de propuesta Se debe considerar que el país está geográficamente en una zona tropical: la mayoría de normas de protección contra rayos son de aplicación a regiones templadas y por razones de confiabilidad, economía y seguridad, es recomendable que los parámetros del rayo, estimados en zonas templadas — normas internacionales — , no sean directamente aplicados a zonas tropicales, por lo que dichos parámetros se han venido determinando a partir de investigaciones principalmente sudamericanas (Colombia, Brasil) y se han llevado a normas nacionales como el caso colombiano (NTC-4552). El sistema de protección contra rayos de mayor conveniencia para ser implementado en El Salvador, sería uno basado en la normativa técnica colombiana NTC-4552, debido a que proporcionan un mayor desarrollo de evaluación de niveles de riesgo, por otro lado, se tienen las ventajas de los acuerdos del OSN con su homónimo colombiano, resultando sencillo una adopción del código. A diferencia de la trabajosa elaboración de un borrador a partir de cero, utilizar una normativa ya en desarrollo y probada es mejor además que recursos se aprovechan mejor en favor del sector de la profesión electricista. CONCLUSIONES

Al dar por finalizado el estudio relacionado con la propuesta de norma para protección contra rayos se concluye que: 

Un recorrido a los conceptos teóricos del fenómeno del Rayo y los principios de protección asociados, permiten tener una idea clara de las bases sobre las que los códigos de protección se desarrollan, otorgando una herramienta poderosa para el entendimiento y el diseño de la protección adecuada.

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De las diferentes normas existentes y tipos de protección de protección contra rayos (convencionales y no convencionales) se constata la predominancia de estas últimas.

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Al analizar los sistemas de protección contra rayos en el país. Se observa que una de las principales fallas o malas prácticas llevadas a cabo en el diseño es el método de cálculo de zonas de impacto, calculadas fuera de normas y basadas en información técnica del fabricante nada más.

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La realidad del país en cuanto al diseño es que este se basa en requerimientos fuera de norma, y la inundación del sector actual de los sistemas de protección contra rayos en el ámbito ingenieril profesional por parte de tecnologías tipo no convencionales.

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Los criterios para el diseño de sistemas de protección contra rayos y puesta a tierra de las normas IEC y americanas (NFPA) si bien bajo el principio básico del método de la esfera rodante, divergen en cuanto a evaluación de nivel de riesgo, en donde las normativas basadas en IEC 62305 llevan amplia ventaja.

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La protección contra rayos no debe ser objeto de caprichos ingenieriles ni comerciales sino más bien un diseño concienzudo y basado en normas sustentadas internacionalmente de manera que garanticen la protección adecuada para personas y estructuras bajo riesgo. Tener un conocimiento claro y cercano sobre el fenómeno y los principios básicos de protección dictados por las normas hacen posible visualizar un campo de soluciones mucho más amplias y correctas que la guía comercial que ofrecen muchas marcas y vendedores. En conclusión, las normas existen para el fin de prevenir el riesgo de impacto, y si bien no son de carácter obligatorio, se debería tomar muy en cuenta que detrás de ellas existe un grupo de expertos y profesionales dedicados al estudio del

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fenómeno del rayo y que dichos criterios plasmados en las normas son de mucha ayuda en la planeación del sistema de protección 

La evaluación de las normas genera un círculo virtuoso donde los grandes beneficiados somos nosotros como consumidores finales.

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En términos de una propuesta que busque cambios tangibles en un sector sin estándares ni autoridades en el tema, lo mejor es el trabajo estrecho con autoridades existentes ligadas al sector ya sea de manera indirecta o directa, así como con diversas asociaciones y agrupaciones empresariales relacionadas, promoviendo iniciativas, sensibilizando y orientando sobre la importancia de una cultura de la seguridad eléctrica y la revisión periódica de las instalaciones, a fin de contribuir al bienestar social y disminuir los incidentes que se puedan ocasionar por faltas a las normas (incendios, electrocución, daño a equipos y estructuras, etc). Este documento pretende motivar principalmente a nuestras autoridades en temas de normalización, tanto como a los constructores, usuarios y dueños de industrias, comercios, viviendas, etc, para que valoren la importancia de alcanzar objetivos como proporcionar información sobre los riesgos existentes, garantizar que los usuarios y propietarios observen y exijan los requerimientos de seguridad necesarios en sus instalaciones. Inspeccionar y actualizar las instalaciones eléctricas de esta clase. Adquirir y usar productos eléctricos nuevos y originales. Fomentar la profesionalización y formación de competencias entre los especialistas electricistas. Promover normas basadas en los principios de la NFPA 780 y/o IEC 62305 que contiene principios, especificaciones y lineamientos fundamentales que deben satisfacer las instalaciones destinadas a protección de descargas atmosféricas, a fin de que ofrezcan condiciones adecuadas de seguridad para las personas y sus propiedades.

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La propuesta de adopción que aquí se presenta es solo una alternativa a plantear sin pretender eliminar la posibilidad de adoptar cualquier otra norma.

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Teniendo en cuenta que en estas normas (en especial cuando hablamos de análisis de riesgo en el código IEC), la mayoría de la información disponible sobre las características y magnitudes de los rayos están basadas en estudios llevados a cabo en zonas semitropicales o templadas, pero muy pocos en zonas tropicales. Y dado que, por razones de confiabilidad, economía y seguridad, es recomendable que los parámetros del rayo, estimados en zonas templadas — normas internacionales — , no sean directamente aplicados a zonas tropicales (dichos parámetros se han venido determinando a partir de investigaciones principalmente sudamericanas) para el caso se propone que sea la norma colombiana NTC-4552 la candidata para cubrir el espacio normativo que se estima desarrollar, aprovechando a la vez las relaciones y convenios entre organismos de normalización nacionales y colombianos. RECOMENDACIONES

Para la adopción de una normativa de protección contra rayos como el presentado en este trabajo de graduación se sugiere las siguientes recomendaciones: 

Tomar en cuenta la última actualización que a nivel nacional existe en cuanto al mapa isoceraunico del territorio salvadoreño, el cual consta de décadas pasadas y actualizado al 2008, esto es, tomar en cuenta las variaciones espacio-temporales que pueden darse en cuanto a niveles de caída de rayos. Se recomienda su actualización con datos patrocinados por el servicio nacional de estudios territoriales (SNET), lo ideal, de ser posible seria la realización de un mapa de densidad de descargas a tierra.

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El cálculo manual de niveles de riesgo según norma IEC es muy tediosa y largo, generalmente se efectúa mediante herramientas de Software, los cuales son de un alto costo económico, además los softwares comerciales de cálculo de nivel riesgo utilizan variables para climas templados, lo cual como se mencionaba en puntos anteriores no es adecuado para climas tropicales, dado ello se recomienda el uso de hoja Excel anexada en formato digital en el presente trabajo o bien una continuación o extensión de este trabajo para futuros egresados de la universidad y así el programar un entorno de cálculo de niveles de riesgo siguiendo la norma NTC-4552-2 paso a paso.

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En cuanto a consideraciones con el diseño de sistemas de protección a tierra es recomendable evitar prácticas fuera de normativa, como el uso de tecnologías no convencionales y separación de puestas a tierra (lo adecuado es unir todas las redes de tierra existentes).

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Es importante mediante la capacitación en materia de prevención (guía de seguridad personal), saber actuar en cualquier situación de riesgo que se presente. En caso de alarma de riesgo de caída de rayo es importante saber qué hacer, todo en virtud de evitar pérdidas humanas principalmente.

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Se sugiere implementar políticas de mercado para regular la venta de equipos de tecnologías no convencionales. En notable concordancia con las normativas propuestas.

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Se propone que las instituciones y cuerpos normativos adecuados deberían avanzar en la elaboración de estudios y propuestas tendientes a modificar o actualizar las normas a proponer relacionadas a condiciones de instalación de pararrayos, zonas y requisitos, en breve la actualización periódica de la normativa.

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