Información Tecnológica - Vol. 15 N° 1 - 2004 : 61-66

ELECTROTÉCNICA

Nuevo Método para la Simulación del Modelo Electrogeométrico Utilizando Autocad como Herramienta de Dibujo

New Method for Electrogeometric Model Simulation by using AutoCAD as a Drawing Tool

R.B. Rodrigues y C.V. Soares

Inst. Superior de Ingeniería de Lisboa, Dpto. de Ing. Electrotécnica y Automatización, Calle Conselheiro
Emídio Navarro, 1949-014 Lisboa-Portugal (e-mail: rbrodrigues@deea.isel.ipl.pt)

Resumen

El objetivo de este trabajo fue el desarrollo del programa de computador SPDA 2002, para simular el modelo electrogeométrico. El programa también permite el análisis del riesgo a que un edificio o conjunto de edificios están sujetos, según las normas BS 6651 y IEC 61662. Se utiliza el AutoCAD^®, como herramienta de dibujo por ordenador, para modelar en 3D los edificios a proteger. El SPDA 2002 permite conocer la eficiencia necesaria del pararrayos y así simular el modelo electrogeométrico con el nivel de protección más adecuado. De esta simulación resulta, automáticamente, un dibujo 3D con todos los puntos vulnerables señalados, además de otras indicaciones útiles para la protección contra los efectos indirectos de las descargas atmosféricas. El uso del SPDA 2002, permite una importante reducción del tiempo necesario, en la concepción de un sistema de protección contra los efectos de las descargas atmosféricas.

Abstract

The main objective of this work has been the development of a software, the SPDA 2002, to simulate the electrogeometric model. This software also performs the risk analysis on a building or a set of buildings, according to standards such as BS 6651 and IEC 61662. The software AutoCAD^® is used, as a computer design tool, to model buildings in 3D. The SPDA 2002 evaluates the efficiency needed for the lighting protection system and consequently allows the designer to simulate the electrogeometric model with the most suitable level of protection. As result of this simulation, a 3D drawing is automatically generated showing all vulnerable points on the building, besides other relevant information to achieve the protection against indirect effects of lightning. An important reduction of time has been observed during the development of a protection system again lightning, when SPDA 2002 is used.

Keywords: electrogeometric model, AutoCAD, lightning protection, risk analysis

INTRODUCCIÓN

Cada día se conoce más la importancia de los servicios que prestan los equipos electrónicos a la sociedad actual, así como la gran sensibilidad que tienen estos equipos, basados en la micro-electrónica, a las sobretensiones.

El rayo es un fenómeno natural de gran complejidad y que ha sido ampliamente estudiado (Berger, 1967; Golde, 1977), por más de 60 años. Durante este periodo, se han presentado y aplicado muchos modelos analíticos y empíricos, bajo la designación de Modelo Electrogeométrico (MEG), pero aún no hay un consenso general sobre el mejor modelo analítico para describir éste fenómeno. Hoy día, los datos recogidos por los sistemas automáticos de localización permiten conocer sus características, no sólo por país pero incluso por región (Aguado et al., 2003).

Para entender el MEG se debe conocer el concepto de "distancia de cebado", que antes se designaba como "distancia crítica". La mis-ma se define como la máxima distancia que el trazador descendente (leader) se puede aproximar al edificio, sin impactarlo. El trazador descendente se desarrolla cuando el campo eléctrico, al nivel del suelo, es mayor que 20 kV/m. El trazador se mueve por saltos, desde la nube hacia el suelo, hasta que la colisión con un trazador ascendente ocurre. Así que, si una esfera rodante, con un radio que es función de la intensidad de la corriente de la descarga atmosférica, toca algún punto del edificio, entonces éstos serán puntos vulnerables. Además, los puntos en el interior del volumen, que se obtiene con este proceso, estarán protegidos.

Apoyándose en observaciones de rayos sobre torres de investigación instrumentadas, se acepta hoy día que la fase final de la progresión del trazador descendente se debe a dos aspectos:

a) una aproximación suficiente del trazador descendente para que se inicien los trazadores ascendentes;
b) éxito en el proceso de intercepción y conexión entre los dos trazadores (descendente y ascendente);

Ambas condiciones a) y b) son necesarias para que la descarga atmosférica se produzca e impacte en la estructura.

En trabajos más recientes se han presentado modelos como: el "Modelo del volumen de atracción" (Eriksson, 1980), la "Teoría del inicio del leader" (Rizk, 1994) y el "Modelo de progresión del leader" (Dellera, 1990), procurando describir la ultima fase del proceso con base en conceptos físicos más sólidos del fenómeno. Estos modelos necesitan de un análisis bastante más complejo. En estos modelos, el volumen geométrico que envuelve la estructura y dentro del cual tiene lugar el proceso de intercepción de los trazadores, representa el volumen de atracción que la estructura ejerce sobre la descarga atmosférica y puede ser obtenido por el "radio de atracción" r_a, si se está utilizando el modelo de Eriksson, o por la "distancia de cebado" d_s, si se utiliza el modelo de Dellera. Invariablemente d_s > r_a.

Aunque son precisos, estos modelos no han aún sido incorporados en las normativas de la IEC y por este motivo, el SPDA 2002 utiliza el modelo de la esfera rodante, que si está contemplada en la normativa IEC 61024-1 (1995).

En este artículo se presentan los resultados de un trabajo que ha tenido como objetivo fundamental el desarrollo de un programa de ordenador para:

a) estimar la incidencia de los rayos sobre una estructura, esto es, calcular el riesgo de daño a que dicha estructura está sujeta;
b) simular el método de la esfera rodante para optimizar el posicionamiento de las puntas captoras de modo que estos puntos vengan a ser preferenciales para el impacto del rayo;

El aporte más importante del estudio realizado, apunta a la posibilidad de simular gráficamente y en 3D el método de la esfera rodante, utilizando un programa de ordenador ampliamente divulgado como es el AutoCAD.

METODOLOGÍA

La aplicación práctica del método de la esfera rodante, exige la construcción en 3D de los edificios o estructuras a proteger y de la esfera rodante. Es usual la construcción de maquetas a una determinada escala y a continuación hacer rodar una esfera sobre el o los edificios, con dimensiones adecuadas al nivel de protección deseado, observando todos los puntos de contacto entre ambos.

Con el SPDA 2002, la modelación tridimensional de los objetos se hace en el AutoCAD, programa que dispone de herramientas adecuadas, que permiten modelar en 3D los objetos necesarios para el análisis. El análisis de riesgo de daños es también realizado con el SPDA 2002 y permite determinar la eficiencia necesaria del pararrayo y además, el radio de la esfera rodante para la simulación del MEG. El análisis de riesgo está basado en las normativas IEC 61662 (1995) y BS 6651 (1992). Se hacen análisis independientes y se pueden comparar los resultados de los dos métodos.

La BS 6651 (Gran Bretaña), propone un método de análisis capaz de determinar el riesgo a que la estructura está sujeta, pero no fija la eficiencia necesaria a la instalación del pararrayos (IPR). La eficiencia del pararrayos, es un elemento fundamental para la aplicación del modelo de la esfera rodante.

Una vez diseñados los edificios o estructuras, el análisis de riesgo, necesita también del cálculo de las áreas de captura efectivas (IEC 61662, 1995), lo que también se hace con la ayuda del AutoCAD. El cálculo del riesgo uti-liza la ley estadística de fallos exponencial (IEC 61662, 1995), y considera un gran número de factores, con el objetivo de caracterizar convenientemente la estructura (función, número de personas afectadas, valores de los inmuebles y su contenido, etc.) y como tal, es un método complejo. Su complejidad se hace más evidente si se realiza sin la ayuda de un programa informático. El método de la IEC 61662 (1995), determina la eficiencia del pararrayo necesario e informa al proyectista sobre las correcciones a realizar para conseguir las condiciones, más adecuadas, de protección contra descargas atmosféricas.

Las sugerencias propuestas pueden incluir la instalación de un sistema automático de detección de incendios, instalación de descargadores de sobretensiones (DST) en los cables (energía eléctrica, comunicaciones, etc.) que penetran la estructura, instalación de conductores protegidos con blindaje metálico y su conexión a tierra (equipotencialización), etc. En la figura 1, es posible observar, en un diagrama de flujo simplificado, el método del análisis del riesgo considerado (IEC 61662, 1995), las siglas empleadas en la figura 1 tienen el siguiente significado:

N_d - Frecuencia de las descargas atmosféricas directas que alcanzan la estructura

N_r - Frecuencia media anual de las descargas atmosféricas que alcanzan el suelo en la proximidad de la estructura a proteger

N_k - Frecuencia de las descargas atmosféricas susceptibles de influenciar los cables o tuberías que penetran en la estructura a proteger.

P_t - Probabilidad de daños ocasionados por las tensiones de paso y de contacto, causadas por descargas atmosféricas directas en la estructura

P_fd - Probabilidad de daños ocasionados por un incendio o explosión como consecuencia de una descarga atmosférica directa

P_sd - Probabilidad de daños ocasionados por las sobretensiones como consecuencia de una descarga atmosférica directa.

P_fi - Probabilidad de daños ocasionados por un incendio o explosión como consecuencia de una descarga atmosférica indirecta.

P_si - Probabilidad de daños ocasionados por sobretensiones como consecuencia de una descarga atmosférica indirecta.

F - Frecuencia de daños susceptibles de ocurrir en la estructura

F_d - Frecuencia de daños susceptibles de ocurrir en la estructura ocasionados por las descargas atmosféricas directas.

F_i - Frecuencia de daños susceptibles de ocurrir en la estructura ocasionados por las descargas atmosféricas indirectas.

F_c - Frecuencia de daños admisible

EL AMBIENTE DE DESARROLLO

El SPDA 2002 ha sido desarrollado en "Visual Basic for Applications" (VBA) del AutoCAD, por ser un programa muy utilizado en los proyectos de instalaciones eléctricas. Su diseño intenta satisfacer el objetivo que, además de ser una herramienta didáctica, es también útil en el medio industrial

Existen dos grandes ventajas en usar el ambiente VBA para AutoCAD:

a) el VBA forma parte del software AutoCAD lo que significa que "pasa" al mismo tiempo. Esto proporciona aplicaciones de ejecución muy rápida.
b) las aplicaciones pueden utilizarse aisladamente o "dentro" del diseño. Esta última característica permite guardar sólo un fichero .dwg y disponer de una potente aplicación que ayudará a realizar el proyecto necesario.

El SPDA 2002 se ejecuta durante una sesión de AutoCAD, facilitando en este procedimiento el intercambio de información entre el diseño y el cálculo numérico propiamente dicho. Está construido sobre una única caja de dialogo en la cual se encuentran varios separadores. En dos de ellos podemos efectuar el análisis de riesgo según dos métodos distintos (BS 6651 y IEC 61662). El último separador permite la simulación del método de la esfera rodante para los cuatro niveles de protección, considerados en la norma IEC 61024-1. Además, el SPDA 2002 permite elegir el lenguaje de dialogo entre el Portugués y el Inglés, como así mismo guardar datos en un fichero y recuperarlos más tarde.

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

En el año 2002, un rayo impactó una casa, en el centro de Portugal, causando graves daños materiales, como se puede observar en la figura 2.

Se aprovechó este caso como "caso de estudio". Para tal, se ha modelado la casa impactada en 3D y se ha utilizado el SPDA 2002 para hacer un análisis de riesgo y la simulación del método de la esfera rodante.

La figura 3, presenta el resultado de la simulación del método de la esfera rodante para el nivel de protección I (radio de la esfera igual a 20 m y eficiencia del IPR igual a 98%). Además, en la figura 3 se indica el punto de impacto real del rayo con la antena de la casa. Es posible ejecutar la simulación sobre un conjunto de edificios y con niveles de protección distintos y adecuados para cada uno.

La simulación del MEG sobre esta casa indicó las antenas, la chimenea y una parte del tejado como puntos vulnerables. En realidad el rayo impactó en una de las antenas (indicado en figura 3), entonces si esta casa hubiera sido protegida según las indicaciones de la figura 3 los daños no serian tan grandes.

Así que el proyectista de la instalación del pararrayos, después de analizar con cuidado el resultado de la aplicación del MEG sobre la estructura a proteger, está en condiciones de crear un pararrayos con el nivel de protección adecuado. La tarea de diseñar los elementos que constituirán dicho sistema de protección contra descargas atmosféricas directas, puede realizarse con los mandos del AutoCAD.

La sociedad moderna está hoy más expuesta a las consecuencias de las descargas atmosféricas, directas o indirectas, de lo que estaba hace cien años. La necesidad de dotar las estructuras con medidas de protección contra las descargas atmosféricas directas y la complejidad de algunos métodos, ha llevado a que en la práctica se utilicen técnicas de proyecto menos eficaces como es el caso del "cono de protección".

El SPDA 2002 es una aplicación con grande potencial pedagógico pero también con interés para el medio industrial.

CONCLUSIONES

A partir de los resultados obtenidos se pueden extraer las siguientes conclusiones:

1) El método de la esfera rodante sigue siendo el método más contemplado en la normalización internacional principalmente en las normativas del TC 81 del IEC.

2) La mayor complejidad del método de análisis de riesgo utilizado en la IEC 61662, puede ser disminuido si el proyectista dispone de una herramienta como el SPDA 2002.

3) El tiempo ganado al utilizar el SPDA 2002, en el análisis de riesgo, hace posible ensayar varios escenarios, con el objetivo de encontrar la mejor solución técnica y económica que protege el edificio o estructura en estudio, posibilitando también la comparación de las soluciones para niveles de protección distintos.

4) Por el hecho de ser una aplicación que utiliza un programa (AutoCAD) ampliamente divulgado, es una solución que posibilita la aplicación del modelo de la esfera rodante con considerable economía, en relación con el método clásico de utilización de esta técnica.

5) En desarrollos futuros, se espera ampliar la aplicación del SPDA 2002 a la protección global, o sea, aplicarlos también a las descargas atmosféricas indirectas.

REFERENCIAS

Aguado, M., B. Hermoso y P.M. Martínez, Correlación entre los parámetros característicos del rayo y las variaciones espaciales en España, Inform. Tecnol., 14(1), 23-30 (2003).

Berger, K., Novel Observations on Lightning Discharges: Results of Research on Mt. S. Salvatore, Journal of Franklin Institute (1967).

BS 6651, Code of Practice for Protection of Structures Against Lightning (1992).

Dellera, L., Lightning Stroke Simulation by means of the Leader Progression Model. Part 1, IEEE Trans. on Power Delivery (1990).

Eriksson, A., Lightning Striking Distances - An Analytical Study, Proceedings of the 6^th International Conference on Gas Discharges and their Applications, Edinburgh (1980)-

Golde, R., Lightning, Academic Press, London (1977).

IEC 61024-1, Protection of Structures Against Lightning - Part 1: General Principles (1995).

IEC 61662, Assessment of the Risk of Damage due to Lightning (1995).

Rizk, F., Modeling of Lightning Incidence to Tall Structures. Part 1: Theory, IEEE Transactions on Power Delivery (1994).

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