Bajantes
- 1. Universidad Simón Bolívar Bajantes Para Sistemas De Protección Contra Descargas Atmosféricas En Estaciones De Telecomunicaciones Luis Gerardo Díaz Miguel Martínez Juan Carlos R J C Rodríguez í Jorge Ramírez Elizabeth Da Silva Guillermo Guillen Erasmo Chirinos
- 2. Agenda Introducción a los sistemas de protección contras descargas atmosféricas El bajante como caso de estudio Objetivos Alternativas de bajante recomendadas en normas internacionales. Metodología: Estudio comportamiento Térmico de las alternativas Estudio comportamiento Eléctrico de las alternativas Medición de la impedancia en función de la frecuencia. Resultados conclusiones
- 3. Sistemas de protección contra descargas atmosféricas Un sistema externo de protección contra rayos SPR está compuesto por tres elementos fundamentales Captación que forman una cadena en la Conducción que ningún eslabón funciona correctamente sin el otro. Dispersión El sistema de captación (terminales aéreos) El sistema de conducción SEGURIDAD (bajantes) El sistema de drenaje (puesta a tierra).
- 4. Sistemas de protección contra descargas atmosféricas
- 5. Caso particular: El Bajante Su función principal es drenar de manera segura las corrientes de rayo desde el elemento captador hasta el sistema de puesta a tierra. En su diseño es fundamental considerar tres Aspectos: Cantidad de bajantes: Varía según el nivel de protección que se requiera (se recomienda siempre >2) Ruta: Con objeto de evitar descargas a la estructura o “side flashing” side flashing Tipo de conductor: Establece la caída de tensión y soporte térmico del bajante.
- 6. El bajante en Torres de Telecomunicaciones Tradicionalmente se utiliza un solo bajante que desciende en línea recta q desde la punta hasta la base de la torre. En general se recurre al cobre como material de construcción, por sus excelentes propiedades eléctricas y térmicas. Problema del cobre: E muy costoso para P Es las empresas y atractivo al hurto, dadas las ubicaciones apartadas en las que se encuentran las torres de telecomunicaciones
- 7. Objetivos Evaluar desde el punto de vista técnico, las distintas alternativas de materiales utilizados para diseñar bajantes y sus configuraciones. Considerando su comportamiento térmico y eléctrico. eléctrico Estudiar al menos una soluciónó al problema del hurto de los conductores de bajada en torres de telecomunicaciones.
- 8. Materiales recomendados por las Normas Internacionales Recomiendan en general el uso de Norma País Año materiales como: AEA Aluminio Argentina 2006 Acero (Galvanizado 92305 IEC o inoxidable) Europa 2006 Cobre 62305 NBR 5419 Brasil 2001 Bajo distintas configuraciones: NFPA 780 USA 2004 Conductor trenzado DR 02359 Australia 2002 Barra sólida Tira Sólida
- 9. Algunas opciones Recomendadas SECCIÓN NORMA MATERIAL CONFIGURACIÓN (mm2) Cobre Tira sólida 50 aluminio Tira sólida 70 aluminio Cilindro Sólido 50 IEC-62305- 3 aluminio Trenzado 50 año:200 Acero galvanizado Tira sólida 50 6 Acero galvanizado Cilindro Sólido 50 Acero galvanizado Trenzado 50 Acero inoxidable Trenzado 70 Cobre Trenzado 29 NFPA-780 Aluminio Trenzado 50 año:200 4 Cobre Tira sólida 29 Aluminio Tira sólida 50
- 10. Estudios realizados sobre las alternativas de bajantes Para evaluar comportamiento de las distintas opciones de bajantes que se recomiendan en las normas se realizaron tres estudios: Estudio comportamiento térmico Estudio comportamiento eléctrico Estudio de la impedancia en función de la frecuencia
- 11. Estudio comportamiento Térmico El aumento de la temperatura viene dado básicamente por las propiedades del material bajante y la energía específica inyectada por el rayo ⎡ ⎛W ⎞ ⎤ ⋅α ⋅ ρ0 1 ⎢ ⎜ R ⎟ ⎥ θ − θ 0 = ⋅ ⎢exp⎜ 2 ⎟ − 1⎥ α ⎢ ⎜ q ⋅ γ ⋅ CW ⎟ ⎥ ⎜ ⎟ ⎢ ⎝ ⎣ ⎠ ⎥ ⎦ Donde: •θ-θ0: Aumento de temperatura en el conductor (K) •α: Coeficiente de temperatura de la resistencia(1/K) •W/R: Energía especifica del impulso de corriente (J/Ω) •ρ0: Resistividad a temperatura Ambiente (Ω·m) γ: •γ: Densidad del material (Kg/m3) •q: Sección transversal del conductor. (m2) •CW: Capacidad Térmica del material. (J/Kg·K)
- 12. Estudio comportamiento Térmico Mientras que el valor de W/R se obtiene de la expresión: 2.2 .10 5 W = ∫ i2d 2 .10 5 dt 1.8 .10 5 R 1.6 .10 1.4 .10 5 5 Donde i es la forma de onda de la i( t ) 1.2 .10 5 1 .10 5 corriente del rayo: 8 .10 4 10 −t ⎛t ⎞ 6 .10 4 ⎜ ⎟ ⋅ eτ 2 I ⎜ τ1 ⎟ 4 .10 4 i (t ) = ⋅ ⎝ ⎠ 10 2 .10 4 k ⎡ ⎛t ⎞ ⎤ 0 1 .10 2 .10 3 .10 4 .10 5 .10 6 .10 7 .10 8 .10 9 .10 4 4 4 4 4 4 4 4 4 0 t ⎢1 + ⎜ ⎟ ⎥ ⎜ ⎟ ⎢ ⎝ τ1 ⎠ ⎥ ⎣ ⎦ I=200kA I=31kA Donde: •I: Corriente pico (kA) K=0.93 K=0.93 τ=19μs y τ1=19μs •k: Factor de Corrección de la corriente pico. •τ1: Constante de tiempo de frente de onda. (μs) τ2=485 μs τ2=485 μs •τ2: Constante de tiempo de la cola de onda. Nivel Caso (μs) protección I promedio
- 13. Estudio Comportamiento Eléctrico Evaluar la caída de potencial por unidad de longitud Factor di determinante ΔV = R ⋅ I P + L ⋅ dt Donde: •ΔV: Es la caída de potencial por unidad de longitud (V/ ) (V/m). •R: es la resistencia a temperatura del ambiente deseado (30º) por unidad de longitud (Ω/m). •L: es la inductancia del conductor por unidad de longitud (H/m). 1μH/m •di/dt: Es la variación de la corriente del rayo en un periodo de tiempo (A/s·m) 10.5263 10 5263 kA/μs •IP: Máxima valor de la función de corriente (A). 200kA
- 14. Estudio Comportamiento Eléctrico R viene dada por la expresión: ρo(1 + α (T − T )) To R= A Donde: R: es la resistencia por unidad de longitud (Ω/m). ρo: Es la resistividad que corresponde a cada material (Ω·m) ≈10-8 α: Es el coeficiente de variación de R es resistencia con temperatura.(1/°C) ( ° ) T: Es la temperatura de ambiente deseada, muy en éste caso 30° pequeño ≈10-3 To: Es la temperatura ambiente estándar: 20°C A: Es el área transversal del conductor. (m2)
- 15. Estudio de la impedancia en función de la frecuencia La impedancia depende de R y L, quienes influyen de manera determinante en el comportamiento térmico y eléctrico respectivamente. é é Luego se hace necesaria un estudio de la impedancia en función de la frecuencia, en el sentido que brinda una visión global del comportamiento eléctrico y térmico
- 16. Estudio Impedancia en función de la frecuencia Para ello se realizó el siguiente montaje: Muestras utilizadas: •Placa de cobre de 3*30mm2 •Conductor Trenzado de Acero 2/0 AWG •Conductor Trenzado de Cobre 2/0 AWG •Ericore® (Conductor de cobre hueco, apantallado y aislado)
- 17. RESULTADOS
- 18. Resultados: Comportamiento Térmico Bajantes recomendados en la norma IEC-62305 Temperatura IEC-62305-3 960,51 1000,00 960,51 900,00 900 00 800,00 700,00 C) Temperatura (°C 600,00 421,97 500,00 400,00 216,88 216,88 300,00 216,88 216 88 200,00 25,82 100,00 53,12 22,00 53,12 , 0,00 22,00 Acero 22,00 Acero Inoxidable solid tape Galvanizado solid round Aluminio Configuración trenzado Cobre C b Para corriente pico de 200kA
- 19. Resultados: Comportamiento Térmico Aumento de temperatura ante impacto de corriente de 200kA SECCIóN NORMA MATERIAL CONFIG θ-θ0(K) θ(ºC) (mm2) Cobre 35 46,92 73,923 NBR5419 año:2001 Acero 50 216,88 243,878 galvanizado Cobre Tira sólida 50 22,00 49,003 IEC-62305-3 IEC 62305 3 año:2006 Acero Tira sólida 50 960,51 987,511 inoxidable NFPA 780 NFPA-780 Cobre Tira sólida 58 16,18 , 43,177 , año:2004 Aluminio Tira sólida 97 13,13 40,132 Cobre Tira sólida (25*3) 9,55 36,555 DR 02359 año:2002 Acero Tira sólida (25*3) 360,45 387,448 Inoxidable
- 20. Resultados: Comportamiento Eléctrico Bajantes recomendados en la norma IEC 62305 Caída d T C íd de Tensión IEC-62305-3 ió IEC 62305 3 13,954 11,848 , 12,974 14,0000 11,880 11,880 12,0000 9,775 10,772 10,772 8,597 m) 10,0000 10 0000 Caída Tensión (kV/m 10,676 10,676 8,0000 8,570 6,0000 4,0000 Acero Inoxidable 2,0000 Acero Galvanizado 0,0000 Aluminio Al i i solid tape Cobre solid round trenzado Configuración Para corriente pico de 200kA
- 21. Resultados: Comportamiento Eléctrico Caída de potencial por unidad de longitud ante euna corriente de C í 200kA SECCIóN NORMA MATERIAL CONFIG ΔV/l (kV/m) ΔV/ ( V/ ) (mm2) Cobre 35 10.7397 NBR5419 año:2001 Acero A 50 11,8799 galvanizado Cobre Tira sólida 50 8,5704 IEC-62305-3 IEC 62305 3 año:2006 Acero Tira sólida 50 11,8482 inoxidable NFPA-780 NFPA 780 Cobre Tira sólida 58 8,5498 8 5498 año:2004 Aluminio Tira sólida 97 8,5478 Cobre Tira sólida (25*3) 8,5206 DR 02359 año:2002 Acero Tira sólida (25*3) 10,7058 Inoxidable
- 22. Resultados: Medición de Impedancia en función de la frecuencia ó
- 23. Resultados: Medición de Impedancia en función de la frecuencia ó
- 24. Conclusiones Existe una variedad de materiales y configuraciones disponibles en las normativas internacionales que satisfacen los requerimientos térmicos y eléctricos mínimos. De las opciones recomendadas, aquellas configuraciones hechas en acero son las que presentan peor comportamiento térmico y eléctrico eléctrico. Acumula de 2 a 4 veces más temperatura que el resto de las configuraciones La caída de potencial es al menos 40% mayor que el resto
- 25. Conclusiones De las configuraciones recomendadas por las normas, es la placa de cobre la que presenta mejor comportamiento. De las configuraciones estudiadas es el Ericore® el que muestra mejor comportamiento de impedancia en frecuencia.
- 26. Conclusiones El factor clave que determina la calidad de un bajante es su impedancia en función de la frecuencia Z(f): Ante eventos alta frecuencia predomina el factor inductivo, lo que más influye en la caída de á í tensión en un bajante impactado por rayo. Ante eventos de baja frecuencia predomina el factor resistivo, lo que más influye en la á temperatura almacenada en el material. Una Z(f) pequeña indica una baja inductancia y una baja resistencia, lo que implica buenos comportamientos eléctricos y térmicos
- 27. Conclusiones El problema de hurto es una realidad que afecta el desenvolvimiento de los sistemas de protección contra descargas atmosféricas. Ante esto, é la mejor opción es realizar una evaluación técnica y económica del ó é ó proyecto, a fin de determinar el bajante que mejor se adapte a las necesidades.
- 32. Resultados: Comportamiento Térmico Bajantes recomendados en la norma NBR-5419 Calentamiento NBR5419 243,878 250,000 200,000 Temperatura NBR5419 Temperatura (°C) 150,000 30,500 30,284 73,923 30,000 100,000 52,824 29,500 T 29,000 50,000 Temperatura (°C) 28,500 28,037 0,000 Cobre Aluminio Acero galvanizado 28,000 27,591 27,500 Material 27,000 26,500 26,000 Acero Galvanizado Para corriente pico de 200kA Aluminio Cobre Material Para corriente pico de 31kA
- 33. Resultados: Comportamiento Térmico Bajantes recomendados en la norma NFPA-780 Temperatura NFPA-780 100,000 98,129 98,129 90,000 80,121 80,121 80,000 Para corriente pico de 31kA 70,000 60,000 Temperatura NFPA-780 50,000 Temperatura (K) 43,177 40,132 40,132 40,000 28,600 43,177 30,000 28,511 28,511 28,400 20,000 28,200 10,000 10 000 28,160 28 160 28,160 28 160 28,000 0,000 27,800 Nvl. II Aluminio Configuracion trenzado Nvl. I Aluminio 27,600 Tem peratura (°C) Nvl. II Cobre 27,377 solid Nvl. I Cobre 27,377 27,400 strip 27,308 27,308 27,200 27,000 Para corriente pico de 200kA 26,800 26,600 Configuración Nivel II Aluminio trenzado Nivel I Aluminio Nivel II Cobre solid strip Nivel I Cobre Material / Nivel de protección
- 34. Resultados: Comportamiento Térmico Bajantes recomendados en la norma DR 02359 Temperatura DR 02359 Para corriente pico de 31kA 3000,000 2778,111 2500,000 Temperatura DR-02359 eratura (°C) 2000,000 387,448 70,000 Acero Inoxidable 799,144 1500,000 Tempe 100,584 Acero G l A Galvanizado i d 62,421 62 421 60,000 60 000 1000,000 Material 49,351 147,431 Aluminio 50,000 500,000 36,555 73,923 cobre 34,630 40,000 0,000 Tira Trenzado Tem peratura (°C) 28,451 Configuración 30,000 27,515 33,777 29,372 20,000 27,225 28,037 Para corriente pico de 200kA 10,000 0,000 Acero Acero Inoxidable Tira Aluminio Galvanizado Configuración Material Trenzado Cobre
- 35. Resultados comportamiento Eléctrico Bajantes recomendados en la norma NBR-5419 Caída de Tensión NBR5419 11,8799 12,0000 11,8000 11,6000 11 6000 Para corriente pico de 31kA Caída Tensión (kV/m) 11,4000 11,2000 10,7397 10,7020 11,0000 Caída de Tensión NBR5419 10,8000 10,6000 1,8500 10,4000 1,8398 10,2000 1,8000 10,0000 Cobre Aluminio Acero galvanizado Material 1,7500 Caída de Tensión (kV/m ) 1,7000 1,6572 1,6631 Para corriente pico de 200kA 1,6500 1,6000 1,5500 Acero Galvanizado Aluminio Material Cobre
- 36. Resultados: Comportamiento Eléctrico Bajantes recomendados en la norma NFPA-780 Caída de Tensión NFPA-780 12,0000 10,6550 10,7722 10,6531 10,7838 10,0000 8,5498 8 5498 Para corriente pico de 31kA Caída Tensión (kV/m) 8,6670 8,5478 8,0000 8,6785 Caída de Tensión NFPA-780 6,0000 1,8000 4,0000 1,6500 1,6699 1 6699 1,6681 1,6000 1 6000 1,6496 2,0000 1,3240 1,4000 1,3439 1,3421 1,3236 Configuració 0,0000 1,2000 trenzado Nvl. II Aluminio 1,0000 n solid strip Nvl. I Aluminio Caída de Tensión (kV/m ) Nvl. II Cobre Nvl. I Cobre 0,8000 Material y Nivel de Prtoección 0,6000 0,4000 Para corriente pico de 200kA 0,2000 0,0000 Configuración g Nivel II Aluminio do Nivel I Aluminio trenzad Nivel II Cobre solid strip Nivel I Cobre Material / Nivel de protección
- 37. Resultados: Comportamiento eléctrico Bajantes recomendados en la norma DR-02359 Caida de Tensión DR 02359 Para corriente pico de 31kA 15,4223 10,7058 10 7058 12,4600 Caída de Tensión DR-02359 16,0000 9,3234 14,0000 10,8776 sión (kV/m) 12,0000 8,5850 2,5000 10,7397 10,0000 Acero Inoxidable 2,3889 8,5206 8,0000 8 0000 Caída Tens Acero Galvanizado 2,0000 6,0000 Material 1,9297 1,6845 4,0000 Aluminio 1,4439 1,6581 1,3294 1,5000 2,0000 1,6631 cobre Caída de Tensión (kV/m ) 0,0000 1,3194 Tira Trenzado 1,0000 Configuración 0,5000 Para corriente pico de 200kA Tira 0,0000 Configuración Trenzado Acero Inoxidable Acero Aluminio Galvanizado Cobre Material
- 38. Resultados: Medición de Impedancia en función de la frecuencia ó