Proteccion Externa Frente a Rayos

Sistemas de Puesta a Tierra. Ing. Rafael Arismendy Weeber. 28/01/2013.

UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER

ESCUELA DE INGENIERÍAS ELÉCTRICA, ELECTRÓNICA Y DE TELECOMUNICACIONES Perfecta Combinación entre Energía e Intelecto

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Juan Manuel Parra Saavedra, Ginny Marinella Niño Báez. Grupo J1.

I. INTRODUCCIÓN

a función primordial de un sistema de protección externa es interceptar las descargas atmosféricas

que se producen en dirección a las estructuras y conducir la corriente del rayo hasta el suelo. Se compone de tres partes fundamentales: terminales de captación, bajantes y puesta a tierra. Se han desarrollado distintos métodos para el diseño de sistemas de protección contra las descargas eléctricas atmosféricas.

II.OBJETIVOS

Conocer los sistemas de protección externa.

Aprender a diseñar sistemas de protección externa

contra descargas atmosféricas.

Distinguir los diferentes métodos utilizados para el diseño de protecciones externas contra rayos.

Estudiar todos los elementos que comprenden un

sistema de protección externa y su importancia dentro de este.

III. NIVELES DE PROTECCIÓN CONTRA RAYOS

Antes de realizar el diseño de un sistema de protección contra rayos es necesario definir el nivel de protección contra rayos (NPR), el cual es número relacionado con un conjunto de valores de parámetros del rayo. Asocia los valores de diseño probabilístico máximos y mínimos que no serán excedidos cuando ocurra una descarga eléctrica atmosférica natural.

Los componentes y métodos de un sistema de protección externa dependen de la magnitud de probabilidad de los parámetros de rayo que se escojan. Debido al extenso rango de magnitudes de los parámetros medidos, la norma IEC 62305-1, 2005 y la NTC 4552-1, 2008 han definido 4 niveles de protección contra rayo. Los valores de parámetros de corriente de rayo para diversas NPR’S son tomados de la distribución probabilística de magnitudes de rayos de polaridad positiva y se usan para diseñar los componentes de la protección y para definir los parámetros de la prueba que simula los efectos del rayo en estos componentes.

Tab1. Valores máximos de parámetros de rayo de acuerdo

con el NPR Los valores mínimos de amplitud de la corriente de rayo para os diversos NPR’S, se toman de la distribución probabilística de la corriente de polaridad negativa y se utilizan para derivar el radio de la esfera rodante y de esta forma definir la Zona de Protección contra Rayos (ZPR) que no se puede alcanzar por descarga directa.

PROTECCION EXTERNA FRENTE A RAYOS

L




2

Para las distribuciones estadísticas de la corriente de rayo, la probabilidad ponderada puede determinarse de tal manera que los parámetros de corriente de rayo sean menores que los valores máximos y respectivamente mayores que los valores mínimos definidos para cada nivel de protección.

Tab2. Probabilidades para los límites de los parámetros del

rayo

Las medidas de protección contra el rayo, especificadas en al norma NTC 4552-1, 2008 son eficaces para los parámetros de corriente que se encuentren en el rango definido por el NPR asumidos para el diseño. Por lo tanto, la eficiencia de una medida de protección es asumida como igual a la probabilidad con la cual los parámetros de la corriente de rayo están dentro de dicho rango.

IV. SISTEMAS DE PROTECCIÓN EXTERNA

La principal función de un sistema de protección externa (SPE) es interceptar las descargas que se dirigen hacia la estructura, incluyendo aquellas que podrían impactar en sus costados y conducir la corriente de rayo hasta el suelo para que ésta se disperse sin causar daños. Se consideran 2 tipos de sistemas de protección externa: uno aislado eléctricamente de la estructura y otro unido directamente a la misma. La decisión de qué tipo de sistema utilizar depende del riesgo de efectos térmicos o explosivos en el punto de impacto de rayo y el tipo de elementos almacenados en la estructura. Un sistema se encuentra compuesto por 3 partes: Sistema de captación. Bajantes. Sistema de puesta a tierra.

Fig1. Componentes de un sistema de protección externa

V. SISTEMA DE CAPTACIÓN

Es el encargado de interceptar os rayos que vayan a impactar directamente la estructura y envían la corriente del rayo atreves de los bajantes de la edificación hasta el suelo; puede estar compuesto por cualquier combinación de los siguientes elementos. Varillas tipo Franklin. Cables colgantes. Malla de conductores.

Fig2. Elementos de un sistema de captación aérea

Los elementos de captación aérea deben de instalarse en las esquinas, puntos expuestos sobresalientes de la estructura y en los bordes; hay que tener en cuenta que los dispositivos de intercepción de ayos deben ser varillas de cobre solidas o tubulares en forma de bayonetas, con una altura por encima de las partes altas de la estructura, no menor a 25 cm, mas sin embargo la norma IEC 62305-3 permite utilizar aluminio o aleación de aluminio o acero.




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VI. MÉTODOS DE INTERCEPCIÓN

Los métodos desarrollados para el diseño de captación aérea tienen su aplicación en el estudio del apantallamiento que proveen las varillas verticales y los conductores horizontales conectados a tierra, a las estructuras y a las líneas de transmisión de energía eléctrica. La hipótesis en la que se basan estos métodos es que la carga espacial contenía en el líder escalonado, esta relacionada con la magnitud de la corriente de descarga. Para el cálculo de la ubicación y la altura de los componentes de un sistema de captación aérea, los métodos más utilizados y recomendado por instituciones como la IEC o la NTC son: Método de la esfera rodante [MER]. Método del ángulo de protección [MAP]. Método del enmallado [ME].

MER

Es cuestionable para estructuras mas complejas, utiliza el mismo radio para todo tipo de geometría, se presentan problemas cuando la altura de la estructura supera su radio, es aplicable a estructuras con altura menor a 60.

MAP

Presentan una amplia variación en el ángulo de acuerdo con las dimisiones de la estructura, existe dificultad al aplicarlo en techos planos, es útil para edificaciones simples pero esta limitado a la altura de los mismo y el tamaño de los para rayos.

ME

No existe investigación teórica o experimental que sustente su funcionamiento, su desempeño puede variar con la conductividad de la estructura a proteger, es útil para proteger superficies planas.

Tab3. Características de los Métodos

A. MÉTODO ELECTROGEOMETRICO [MEG]

El concepto fundamental de este método después de años de investigación es el radio de impacto (rsc); el cual se define como la distancia entre la punta del líder descendente del rayo y la estructura en tierra, en el momento en que se inicia un líder ascendente o de conexión.

Fig3. Radio de impacto de una descarga atmosférica

A medida que el líder escalonado se acerca a tierra, la intensidad del campo eléctrico en los objetos o estructuras se incrementa, especialmente sobre puntas, esquinas o protuberancias. Una expresión adoptada por el IEC 62305-1 e IEEE 1410 es:

10 .

imin es la magnitud de corriente mínima en KA. Esta ecuación ha sido desarrollada considerando un canal de descarga recto, sin ramificaciones, terreno plano y sin estructuras presentes.




4

Sin embargo, a la hora de tener presente la ramificación del canal, el radio de impacto a terreno plano sin estructuras presentes esta dado por:

4 .

imin es la corriente pico en KA. Esta ecuación ha sido adoptada por la NTC 4552-1, 2008. Para estructuras esbeltas, el radio de impacto aumenta con la altura del edificio y con la corriente pico esperada. Además, al instalar varillas en las esquinas, el aumento del radio de impacto esta alrededor del 20%, lo cual mejora la posibilidad de iniciar un líder ascendente estable de conexión e interceptar la descarga.

LOCALIZACIÓN DE LOS PUNTOS DE IMPACTO EN UNA

ESTRUCTURA

Hartono et al llevaron una recopilación de datos sobre impactos directos a 104 estructuras durante un periodo de 10 años en Malasia, encontrando un porcentaje total de ocurrencia de impactos:

Localización del impacto

% de ocurrencia

Puntas y esquinas > 80 Bordes horizontales < 10

Bordes verticales < 5 Superficies planas < 1 Tab4. Porcentaje de impacto directo en estructuras

En muchas ocasiones no es suficiente ubicar unas pocas puntas o terminales aéreos para proteger una edificación robusta o compleja, ya que debido a sus dimensiones la descarga puede llegar a impactar incluso en zonas con muy baja probabilidad de inicio de líder ascendente.

El porcentaje de impacto directo es mucho menor en edificaciones que se encuentras junto a otras edificaciones de igual o mayor altura que en aquellas que no tiene estructuras vecinas o de menor altura. En la práctica, para determinar gráficamente la altura mínima de los dispositivos de protección o interceptación, se trazan arcos de circunferencia con radio igual a rsc, entre los objetos a ser protegidos y los dispositivos de interceptación, de tal forma que los arcos sean tangentes a la tierra y a los objetos o tangentes entre objetos; cualquier estructura por debajo de los arcos estará protegida por el o los objetos que conformen el arco, y cualquier objeto que sea tocado por el arco estará expuesto a descargas directas.

Fig4. Zona de protección utilizando MEG En la Fig4. La estructura B está protegida por que se encuentra debajo del arco a’b’, tangente al mástil y a la tierra. La estructura A no está protegida porque no está por debajo del arco a’a’’, sin embargo, la estructura C estará protegido por la estructura A y el mástil, pues está por debajo del arco a’a’’’. B. METODO DE LA ESFERA RODANTE [MER]

Este es un método geométrico que se aplica para determinar la ubicación de los terminales de captación para la protección de edificaciones y otras estructuras de mayor complejidad. El MER es aplicable a estructuras con altura menor a 60 m. consiste en imaginar una esfera de radio igual al radio de impacto rsc rodando sobre los volúmenes de las estructuras a proteger. Toda estructura que logre tocar la esfera estará expuesta a descargas directas.




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El propósito es que las únicas estructuras que toque la esfera sean los dispositivos de protección o apantallamiento.

Fig5. Método de las esferas rodantes

Tanto el radio de impacto como el punto final de impacto directo de la descarga sobre la estructura dependen de su geometría y dimensiones, no es el mismo para toda la estructura. Por tanto se puede implementar la opción más segura determinada por el radio de impacto respecto al terreno plano, lo cual también ha sido implementado para estructuras en la NTC 4552-1, 2008.

PARAMETRO NPR

I II III IV Corriente pico mínima de polaridad negativa en ozona tropical (NTC 4552-1, 2008) [KA]

17 21 26 30

Corriente pico mínima de polaridad negativa en zona templada (IEC 62305-1, 2005) [KA]

2.9 5.4 10.1 15.7

Probabilidad de que la corriente pico sea mayor al mínimo

0.99 0.97 0.91 0.84

radio de la esfera rodante IEC 62305-1, 2005

20 30 45 60

radio de la esfera rodante NTC 4552-3, 2008

35 40 50 55

Tab5. Valores mínimos de corrientes pico y radios de esfera rodante

Para determinar gráficamente la altura mínima de la instalación de interceptación, se trazan arcos de circunferencias con radio igual a el radio de impacto rsc, entre los objetos a ser protegidos y los terminales de captación, de tal manera que los arcos sean tangentes a la tierra y a los objetos o tangentes ente objetos. El posicionamiento de las puntas captadoras debe realizarse de manera tal que la esfera escogida por el nivel de protección nunca toque ninguna parte de la estructura. C. METODO DEL ANGULO DE PROTECCION

[MAP]

Es una simplificación del método de la esfera rodante, en donde para una altura relativa dada existe un ángulo de protección de la punta captadora o cable aéreo de protección el cual puede determinarse mediante la grafica.

Fig6. Angulo de protección dependiendo de la altura relativa

y el nivel de protección Se considera que la ubicacion del sistema de captacion aerea es adecuada si la estructura completa esta dentro del volumen de proteccion. La altura h se escoge a partir de la altura realtiva que tiene el elemento con la superficie a proteger. Y apartir de hay se colocan las puntas captadoras de tal manera que la estructura quede siempre dentro de la zona de proteccion.




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Fig7. Ejemplo de protección con un NPR III

De manera tridimensional la varilla captadora y el ángulo de protección generan un cono. Los conductores del sistema de captación, varillas, mástiles y alambren deben estar ubicados de manera que todas las partes de la estructura a ser protegida este dentro de la superficie envolvente generada.

Fig8. Vista tridimensional

El método de protección de ángulo tiene limitaciones geométricas y no puede ser aplicado si h es mayor que el radio de la esfera rodante. Para la determinación del volumen de protección deben ser consideradas únicamente las dimensiones físicas reales de las puntas captadoras metálicas. D. METODO DEL ENMALLADO [ME]

Este método es utilizado principal mente cuando se quiere proteger superficies planas, en donde una malla conductor puede ser considerada para obtener protección contra impactos directos de toda la estructura.

Para este caso los terminales de captación deben de ubicarse sobre las terrazas, los bordes del techo o voladizos. La red debe de ser diseñada de tal manera que la corriente de rayo siempre encuentre al menos 2 vías de evacuación, las dimensiones de la malla en función del NPR está dado de la siguiente forma:

NVEL DE PROTECCION

MALLA [m]

I 5X5 II 10X10 III 15X15 IV 20X20

Tab6. Área de la malla según el nivel de protección Los terminales aéreos no aislados usados para proteger una estructura pueden ser instalados si: El techo esta hecho de materiales no

combustibles, el sistema de captación aérea puede instalarse sobre la superficie.

Si el techo esta hecho de material de fácil combustión, es necesario considerar cierta distancia de precaución entre los elementos del sistema de captación y el techo de la estructura.

Las partes fácilmente combustibles de la estructura no deben permanecer en contacto directo con ninguna parte de los componentes del sistema de protección externa y no debe estar debajo de ninguna lámina metálica.

Si es probable alguna acumulación de agua en el techo plano, los componentes del sistema de protección debe estar instalado por encima del nivel máximo de agua acumulada.




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UTILIZACIÓN DE MATERIALES PROPIOS DE LA

ESTRUCTURA COMO COMPONENTES DEL SISTEMA DE

CAPTACIÓN.

Las siguientes partes de la estructura podrían ser consideradas como partea natural del SPE. Cobertizos metálicos en que: Su continuidad sea garantizada y durable

(soldaduras, grapas o abrazaderas metálicas, atornilladas).

No esté revestido por algún material aislante.

Su espesor sea suficiente para soportar el impacto directo de acuerdo con la siguiente tabla.

NPR Material espesor

a espesor

b

I a IV

plomo ‐‐ 2

Acero (inoxidable galvanizado)

4 0.5

Titanio 4 0.5

Cobre 5 0.5

Aluminio 7 0.65

Zinc ‐‐ 0.7

a= previene perforaciones, puntos calientes o ignición. b= solo para laminas metálicas si no es importante prevenir perforaciones , puntos calientes o ignición

Componentes metálicos del material del techo

debajo de superficies no metálicas.

Partes metálicas tales como ornamentación, rieles, tuberías metálicas y tanques sobre el techo que tenga un espesor de acuerdo a la anterior tabla.

VII. TERMINALES DE CAPTACIÓN

Actualmente son ofrecidos comercialmente diferentes dispositivos de protección externa contra rayos que pueden resumirse en 3 tipos: Puntas Franklin.

La ubicación de las puntas de captación debe ser según cualquiera de los métodos enumerados anteriormente.

Fig9. Pararrayos Franklin

Mediante estudios y pruebas en laboratorio se ha encontrado que las varillas con punta roma son más eficaces a la hora de interceptar descargas eléctricas, sugiriendo que el radio optimo de curvatura para las varillas con punta roma para la interceptación de rayos es de 4.8 mm y máximo 12.7 mm. Las varillas de punta aguda no son muy eficaces en la interceptación de rayos per en ellas se presenta descargas corona y tiende a protegerse a ella misma debido a la ionización del espacio alrededor de la punta.




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Según la NTC 4552

Tab7. Características de los terminales de captación

Se debe tener en cuenta que los terminales de captación deben ser preferiblemente varillas solidas o tubulares en forma de bayonetas; con una altura por encima de las partes altas de la estructura no menos a 0.25 m para intervalos máximos de 6, entre puntas y no menor a 0.6 m para intervalos máximos de 8 m. En caso de que un terminal exceda los 0.6 m por encima de las partes altas de la estructura se debe sujetar en un punto no menor a la mitad de su altura. Todo edificio que requiera SPE, tenga o no terminales de captación, debe tener un anillo de apantallamiento en la parte superior de la estructura. Cuando tenga terminales de captación ellos deben estar unidos mediante un anillo. Si el montaje es sobre superficies de aluminio, deben construirse terminales de captación en aluminio para evitar corrosión galvánica, con las dimensiones descritas en la Tab7. Y su conexión al bajante debe realizarse por medio de un conector bimetálico. Dispositivos de emisión temprana.

Son dispositivos no convencionales de protección contra rayos también conocidos como “pararrayos ionizantes, dispositivos piezoeléctricos, terminales de emisión temprana.

Fig10. Dispositivo de emisión temprana

Estos dispositivos han creado una gran controversia dentro de la comunidad académica internación hasta el punto que hasta el día de hoy no han sido aceptados por las normas internaciones IEC, por la norma Americana IEEE ni por la norma Colombiana NTC. Este rechazo esta dado a la construcción en que se dan estos pararrayos, utilizando 3 principalmente: -Terminales ionizantes o radioactivos. -Terminales equipados con disparo eléctrico. -Terminales que usan emisión laser. Su función principal es la de disparo de un lider ascendente en un tiempo mucho menor que en un pararrayos tipo Franklin, la diferencia de tiempo es conocida como tiempo de ventaja. Dispositivos de transferencia de carga.

Es un dispositivo que esta basado en el fenómeno conoció como descarga corona, el cual disipa, a través del dispositivo, la carga eléctrica de la tormenta de una manera lenta y contante a través de la vida de la tormenta.




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Descarga corona es el fenómeno que ocurre cuando un electrodo en forma de punta es expuesto a un fuerte campo electrostático. La punta toma un electrón de las moléculas adyacentes, llevándolo a un ion libre. E campo electrostático lo atrae hacia la punta y el proceso continua mientras la tormenta este en el área. El flujo de iones se incrementa exponencialmente con el incremento de la intensidad de campo eléctrico. Cuando gran cantidad de iones son producidos, se crea el fenómeno de descarga corona. Pero este dispositivo con la manipulación de dicho fenómeno no es suficiente para prevenir un impacto de rayo, como debería hacerlo el sistema.

VIII. SISTEMAS DE BAJANTES

Este sistema tiene como objetivo conducir las corrientes del rayo captadas por el sistema de captación aéreo y llevarlas de forma segura hacia el sistema de puesta a tierra. Para ellos las bajantes tienen que ser ubicadas de tal manera que, a partir del punto de impacto del rayo hasta tierra, se cumplan 3 requisitos: Existencia de varios caminos paralelo para la

corriente. La longitud de los caminos de corriente sea la

mínima. Equipotencializacion de partes conductoras de

la estructura. Es preferible instalar tantas bajantes como sea posible igualmente espaciadas alrededor del perímetro interconectado por al anillo conductor, lo cual reduce la probabilidad de chispas peligrosas y facilita la protección interna. Se consideran 2 tipos de sistemas de bajantes, aquel que puede estar aislado eléctricamente de la estructura y otro unido directamente a la misma. La decisión de cual tipo de sistema se debe utilizar depende del riesgo de efectos térmicos o explosivos en el punto de impacto de rayo y el tipo de elementos almacenados en la estructura.

Si el sistema de captación aérea consiste en varillas montadas en postes o mástiles no metálicos o de material sin esfuerzo en acero interconectado, es necesaria al menos una bajante por cada poste. Si los postes son metálicos o con material con acero interconectada n es necesario el uso de bajantes siempre y cuando se garantice la continuidad entre la punta de captación y el sistema de puesta a tierra. Si el sistema de captación consiste en cables colgantes, es necesaria al menos una bajante por cada soporte de los cables. Si el sistema de captación aérea consiste en una red de conductores, es necesario al menos un bajante por cada soporte terminal. Para la ubicación del sistema de bajantes no aislado, el número de bajantes no debe ser inferior a 2 y debe estar distribuido por el perímetro de la estructura a proteger. Las bajantes deben distribuirse simétricamente alrededor de la estructura, ubicadas en la parte exterior y distanciada una de la otra según la siguiente tabla, su separación puede variar dependiendo de objetos que puedan interferir con su recorrido.

NPRDistancia

[m]

I 10 II 10 III 15 IV 20

Tab8. Distancia entre bajantes La longitud debe ser la menor posible, evitando la formación de lazos o curvaturas en su trayectoria y en el caso que estas últimas sean inevitables, su ángulo no debe ser menor a 90 y su radio de curvatura no menor a 200mm. No es recomendable ubicar bajantes en áreas donde se congreguen o transiten personas frecuentemente. Es recomendable que exista una bajante en cada esquina expuesta a la estructura.




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Deben de ser instaladas de tal manera que garanticen continuidad eléctrica entre los conductores del sistema de captación aérea y el sistema de puesta a tierra. No debe ser instalada dentro de canaletas para agua o aun si están cubiertas por material aislante. El aislamiento eléctrico entre las bajantes respecto a partes metálicas internas, sistemas eléctricos, líneas de telecomunicaciones a ser protegidas, puede ser logrado mediante la distancia de separación S, recomendada por la IEC 62305-3, 2006, usando para su evaluación la siguiente ecuación:

Ki=Depende del nivel de protección contra rayos. Kc=Depende del nivel del flujo de corrientes por los conductores bajantes. Km=Depende del nivel de protección contra rayos. L= longitud del bajante En estructuras metálica conectadas a estructuras de concreto reforzado con continuidad eléctrica ininterrumpida, las distancias de separación no son necesarias.

UTILIZACIÓN DE COMPONENTES NATURALES PARA

BAJANTES

Se pueden construir componentes naturales como bajantes siempre y cuando la instalación provea: -Una continuidad garantizada y durable. -cumpla las especificaciones en la siguiente tabla.

-Que el reforzamiento en acero del concreto tenga uniones solidas entre ellas, que puedan garantizar que los esfuerzos mecánicos que se ejerzan por las corrientes de rayo no provoquen rotura del concreto. También se pueden utilizar como bajantes marcos metálicos de la estructura o elementos de la fachada si: -sus dimensiones cumplan con los requisitos para los conductores de los bajantes y que para laminas metálicas o tuberías su espesor no sea inferior a 0.5 mm. Según la NTC 4552 Con el incremento del numero de bajantes, se logra una reducción en la magnitud de la corriente que circula por cada bajante y su rata de ascenso; así mismo, se reduce la magnitud de las inducciones magnéticas en los lazos metálicos de la instalación y las diferencias de potencial.




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Los conductores de las bajantes del sistema equipotencial y derivaciones deben ser según la siguiente tabla:

Cada una de las bajantes debe terminar en un electrodo de puesta a tierra, estas separadas un mínimo de 10m y siempre buscando que se localicen en las partes externas de la edificación. Si es un edificio hay que equipotencializar cada nivel con el bajante. Para estructuras de alturas menores a 25 m, se deben instalar anillos de apantallamiento, distanciados máximos 25 m medidos a partir del suelo. En estructuras con alturas mayores o igual a 25 m, deben instalar adicionalmente anillos horizontales cada 25 m.

IX. SISTEMA DE PUESTA A TIERRA

El sistema de puesta a tierra es usado para dispersar y disipar la corriente del rayo que viene por las bajantes reduciendo al mismo tiempo el peligro de tener tensiones de paso y de contacto peligrosas. Las formas de la puesta a tierra y sus diseños son un criterio importante. El sistema de protección externa se debe buscar un bajo valor de resistencia de puesta a tierra, por lo general menor a 10 Ω en baja frecuencia. Cada sistema de puesta a tierra debe tener una caja de inspección cuadrada de 0.3 m de lado circular de 0.3 m de diámetro con su respectiva tapa removible de concreto de 2500 psi, provista de manija.

X. REFERENCIAS

[1] http://www.senati.edu.pe/web/sites/default/files/galeria/prensa/noticias/evento%20huancayo%20electricidad/SIPRA.pdf

[2] Norma Técnica Colombiana NTC 4552-1,2,3 de 2008.

[3] TORRES-SANCHEZ, Horacio, Protección Contra

Rayo, Universidad Nacional de Colombia.

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