Mc l 003 Pararrayos

MEMORIA DE CALCULO PARA SISTEMA DE PARARRAYOS

INGENIERIA, PROCURA, CONSTRUCCION DE TRAMPAS DE ENVIO Y RECIBO EN EL GASODUCTO DE 48 CACTUS SAN FERNANDO EN EL TRAMO DE INTERCONEXION CON LA ESTACION DE COMPRESION ALTAMIRA.

ELABOR: O.D.P.M. FECHA: 06-02-15 REV. No. 1 HOJA 1 DE 22

1 PARA

REVISION O.D.P.M. J.A.P.C. J.A.P.C. 06/02/15

Revisin: Descripcin: Elabor: Revis: Aprob: Fecha Supervisor Residente

ED. DEPTO. ING. DE PROYECTOS

Fecha

DEPARTAMENTO DE INGENIERA CLIENTE: GAS Y PETROQUIMICA BASICA

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INDICE

1.0 INTRODUCCION ...........................................................................................................................................3

2.0 OBJETIVO .....................................................................................................................................................3

3.0 NORMAS, CODIGOS Y ESTANDARES UTILIZADOS ................................................................................3

4.0 CONCEPTOS BASICOS ...............................................................................................................................3

5.0 DATOS DE ENTRADA Y CRITERIOS DE DISEO PARA LA PROTECCION EXTERNA ........................7

6.0 MEMORIA DE CALCULO .............................................................................................................................9

7.0 SELECCIN DEL SISTEMA PARARRAYOS ........................................................................................... 18

8.0 FICHA TECNICA PARARRAYOS DIPOLO CORONA. ............................................................................. 19

9.0 NIVEL DE PROTECCIN ........................................................................................................................... 20

10.0 CONCLUSIONES ....................................................................................................................................... 21




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1.0 INTRODUCCION

A travs de la presente memoria sern definidas las condiciones para proponer la instalacin de un Sistema de Proteccin contra descargas atmosfricas en las Trampas de envo y recibo en el Gasoducto de 48 Cactus San Fernando en el tramo de interconexin con la Estacin de Compresin Altamira, con la cual podremos asegurar si se requiere de esta proteccin o no en el punto antes mencionado.

2.0 OBJETIVO

Presentar el diseo y especificaciones de los sistemas de proteccin contra descargas Atmosfricas que brinden la mayor seguridad tanto al personal como al rea de Trampas de envo y recibo en el Gasoducto de 48 Cactus San Fernando en el tramo de interconexin con la Estacin de Compresin Altamira, utilizando para ello la tecnologa apropiada, que cumpla con las normas y especificaciones nacionales e internacionales.

3.0 NORMAS, CODIGOS Y ESTANDARES UTILIZADOS

Las normas que a continuacin se indican, forman parte de esta memoria de clculo. Cada norma utilizada durante el diseo y fue la ltima revisin:

NOM-001-SEDE-2005 Instalaciones Elctricas (Utilizacin).

NFPA 780-2004 Standard for the installation of lightning protection systems, 2004 edition.

NOM-025-STPS-1999 Condiciones de Iluminacin en los Centros de Trabajo.

NRF-048-PEMEX-2007 Diseo de Instalaciones Elctricas en Plantas Industriales.

NRF-036-PEMEX-2011 Clasificacin de reas peligrosas y seleccin de equipo elctrico

NEC National Electrical Code (NFPA-70).

API American Petroleum Institute.

NFPA-780A Diseo de Sistemas de Proteccin contra Descargas Atmosfricas.

NMX-J-549-ANCE-2005 Sistemas de proteccin contra Tormentas Elctricas Especificaciones, materiales y mtodos de medicin.

NOTA: El desarrollo de la Ingeniera deber considerar normas, cdigos y/o estndares que apliquen en su caso y no deber sujetarse nicamente a las aqu especificadas.

4.0 CONCEPTOS BASICOS

La descarga atmosfrica conocida como rayo, es la igualacin violenta de cargas de un campo elctrico que se ha creado entre una nube y la tierra o entre nubes. Los rayos que nos interesan por su efecto, son los de nube a tierra, y en stos se pueden encontrar 4 tipos: 2 iniciados en las nubes, y 2 iniciados en tierra, ya que pueden ser positivos o negativos. Los ms comunes, siendo el 90 % de los rayos detectados, son de una nube negativa hacia tierra. Los rayos que inician en tierra son relativamente raros y ocurren normalmente en montaas o en estructuras altas, por lo que no los tomaremos en cuenta en lo subsiguiente.




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Los rayos iniciados en las nubes negativas, normalmente aparecen en nubes de tormenta del tipo Cmulo - Nimbus Convectivas que usualmente miden de 3 a ms de 50 Km. de largo, y son consecuencia de un rompimiento dielctrico atmosfrico. Este rompimiento una vez iniciado, avanza en zigzag a razn de unos 50 metros por microsegundo con descansos de 50 microsegundos. Una vez que el rompimiento cre una columna de plasma en el aire, la descarga elctrica surgir inmediatamente dentro de un hemisferio de unos 50 m de radio del punto de potencial ms alto. Y, cualquier objeto puede ser el foco de esta descarga hacia arriba de partculas positivas, an desde una parte metlica debajo de una torre. Los rayos consisten usualmente de descargas mltiples, con intervalos entre descargas de decenas a centenas de milisegundos. La primera descarga es la que tiene mayor amplitud, mientras que las subsecuentes tienen tiempos de ataque ms rpidos, aunque la velocidad de las descargas se ha encontrado que depende del lugar geogrfico. La primera descarga est entre 6 y 15 x 10e7 m/s y la segunda entre 11 y 13 x 10e7 m/s. Las descargas atmosfricas pueden causar grandes diferencias de potencial en Sistemas Elctricos distribuidos fuera de edificios o de estructuras protegidas. A consecuencia de ello, pueden circular grandes corrientes en las canalizaciones metlicas, y entre conductores que conectan dos zonas aisladas. Pero, an sin la descarga, una nube cargada electrostticamente crea diferencias de potencial en la tierra directamente debajo de ella. El campo elctrico debajo de una nube de tormenta es generalmente considerado entre 10 y 30 kV/m. Es importante, comparar estos valores con el de 1.5 kV/m con el que las puntas empiezan a emitir iones. Una nube de tormenta promedio podra contener unos 140 MW de energa con voltajes hasta de 100 MV, con una carga en movimiento intranube de unos 40 Coulombs. Esta energa es la que se disipa mediante los rayos, con corrientes pico que van de unos cuantos kilo amperes a unos 200 kA con un percentil (50) de 20 kA, de acuerdo con los datos del Sr. R. B. Bent (Lightning and the hazards it produces for explosive facilities" ACS Symp. Series No. 96. 1979. p 81.). El Electric Power Research Institute (EPRI) en su libro: Transmission Line Reference Book, 345 kV and above. 2da. Edicin, Pgs. 545-552, maneja una magnitud promedio de una descarga negativa de 31 kA, con una pendiente promedio mxima de 24.3 kV/us. Y para las descargas que siguen a la primera, una magnitud menor aunque ms rpidas, con un promedio de 39.9 kV/us, y hasta 70 kV/us ha sido registrado. Los rayos de una nube positiva hacia tierra contienen ms carga que sus contrapartes negativas, por lo que son muy estudiados. En general no exhiben el mismo comportamiento de pasos de los negativos, y suceden ms frecuentemente en tormentas invernales con nieve y en latitudes altas. Algunas particularidades aumentan la probabilidad de la cada de rayos en un lugar. Por ejemplo, la frecuencia de descargas en un lugar es proporcional al cuadrado de la altura sobre el terreno circundante. Esto hace que las estructuras aisladas sean particularmente vulnerables. Adems, las puntas agudas incrementan tambin la probabilidad de una descarga. La proteccin de estructuras es ms tolerante que una proteccin electrnica. As, un edificio puede tolerar hasta 100,000 V mientras que componentes electrnicos a 24 V se daarn con voltajes sostenidos de 48 volts.




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Los rayos ocurren con diferentes intensidades y un sistema que proteja contra su efecto deber ser diseado tomando en cuenta los rayos promedio o mayores del rea en cuestin. Las descargas no pueden ser detenidas, pero la energa puede ser desviada en una forma controlada. El intentar proteger contra descargas directas puede ser excesivamente caro. Un sistema de proteccin contra descargas, llamado de pararrayos, debe:

Capturar el rayo en el punto diseado para tal propsito llamado terminal area.

Conducir la energa de la descarga a tierra, mediante un sistema de cables conductores que transfiere la energa de la descarga mediante trayectorias de baja impedancia.

Disipar la energa en un sistema de terminales (electrodos) en tierra. Cuando la energa de un rayo viaja a travs de una trayectoria de gran impedancia, el dao causado puede ser grave por el calor y las fuerzas mecnicas que se crean ("Lightning Protection Code. ANSI/NFPA 780". National Fire Protection Association, Batterymarch Park, Quincy MA 12269). Como la tierra no tiene una resistividad uniforme en todos los puntos, dentro de un mismo predio puede existir un potencial entre dos placas de metal enterradas. Por eso, en un sistema de electrodos mltiples conectados entre s, a manera de malla, existe la probabilidad de que exista una diferencia de potencial entre algunos de sus puntos aterrizados. El problema de diferencia de potenciales entre electrodos se complica an ms cuando una nube cargada pasa por encima de la malla. Adems, una descarga elctrica que caiga cerca, causar grandes corrientes en la tierra para restablecer el equilibrio de cargas. Al fluir esta corriente por tierra, causar una diferencia de potencial entre los diferentes electrodos y esta diferencia de potencial, a su vez, causar que fluya corriente por los conductores de la malla. Es conocido que un campo magntico se crea cada vez que existe un rayo, no importando si es a tierra o entre nubes. Este campo induce una corriente en cualquier conductor en la vecindad del rayo. Si existen electrodos al final de ese conductor, fluir por tierra la corriente cerrando el circuito. Por ejemplo, un oleoducto puede transmitir la corriente de una descarga a una gran distancia del punto donde la descarga tuvo lugar. Los rayos son seales elctricas de alta frecuencia, gran potencial y alta corriente, por ello son causa de interferencia en sistemas electrnicos. Son de alta frecuencia por la elevada razn de cambio de la seal, de aproximadamente 1 us. Por ello, para dirigir a tierra las descargas atmosfricas se utilizan las tcnicas para seales en altas frecuencias. La inductancia de los conductores de cobre usados para tierras es de aproximadamente de 1.64 uH/m. A la frecuencia equivalente de los rayos, la impedancia debida a la inductancia es muchas veces mayor que la impedancia debida a la resistencia del conductor. Por lo que, para los rayos, los conductores ms largos de 10 m tienen una impedancia en trminos prcticos infinita, lo que impide que conduzcan la corriente M. O. Durham. ("Submersible power supply considerations" Electric Submersible Pump Workshop. Society of Petroleum Engineers. Houston TX, April 1986). Adems, estas seales de alta frecuencia no seguirn nunca una vuelta muy cerrada del conductor, porque cada doblez incrementa la reactancia inductiva. De ah, que todos los cables de conexin a tierra de pararrayos deben tener curvas generosas en lugar de esquinas cerradas. Por ello, se recomiendan curvas con radio de unos 20 cm, y conductores mltiples conectados en paralelo a tierra.




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Como los rayos se reflejan como cualquier onda de alta frecuencia, es bsico que la Impedancia a tierra sea baja para la descarga, ya que todas las partes del sistema conectadas a tierra, elevaran y bajaran su potencial con respecto de tierra al tiempo de la descarga; Como ejemplo una malla de 30 x 30 m con 36 cuadrados, de cable de 0.5 cm de dimetro tiene una inductancia de 400* 10-7 H, lo que dar una impedancia de 25 ohms bajo una onda triangular con tiempo de pico de 1.2 us. De acuerdo con: R. Verma. ("Fundamental Considerations and Impulse Impedance of Grounding Grids" IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems, Vol. 3 March 1981 p. 1023). Una descarga electromagntica atmosfrica se origina de formas diversas:

Fig. 1.- Esquema de la interactividad Atmsfera-Tierra-Atmsfera.

PRINCIPIOS DEL PARARRAYOS Basado en los principios anteriormente descritos, un pararrayos es simplemente un dispositivo que acumula cargas positivas inducidas por la nube que tiene cargas negativas. Como las cargas se acumulan en mayor medida sobre estructuras que tengan puntas afiladas, los pararrayos son diseados con puntas afiladas. Ya que un rayo caer sobre la estructura de la cual se emita un lder descendente negativo, los pararrayos deben ser la estructura ms alta de manera que el lder ascendente que se emita por la punta del pararrayos llegue ms rpidamente al lder descendente de la nube y de esta manera se utilice la estructura el pararrayos para drenar la corriente en vez de cualquier otra estructura u objeto de la planta. Considerando que el pararrayos va a drenar una gran cantidad de corriente, es necesario que el pararrayos tenga una muy buena conexin a tierra y que est diseado para soportar la energa que se drenar a travs de l. El pararrayos debe ser la estructura con mayor altura, esto es evidente si se piensa que el lder ascendente del pararrayos debe de llegar primero al lder descendente de la nube.




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5.0 DATOS DE ENTRADA Y CRITERIOS DE DISEO PARA LA PROTECCION EXTERNA

Esta memoria de clculo fue desarrollada en base a datos y criterios proporcionados por fabricantes de los pararrayos. Nota: Los valores de diseo se proporcionan dependiendo la zona a proteger. TENSIN DE ALIMENTACIN. Para cualquier anlisis de ingeniera se requiere del nmero de descargas por unidad de tiempo y unidad de rea, o la densidad de descargas (GFD por las siglas en ingls de Ground Flash Density) regional expresada normalmente como un promedio anual. Durante muchos aos, los servicios meteorolgicos del mundo han anotado los das tormenta o niveles querunicos. Un da tormenta es un da en que un trueno es escuchado. Los datos querunicos son compilados en cartas geogrficas con lneas de igual nivel querunicos o lneas isoquerunicas. Con los aos, se han propuesto relaciones matemticas entre los das tormenta al ao (Td) registrados y la densidad de descargas a tierra (Ng) (descargas a tierra/unidad de rea/unidad de tiempo). A. J. Eriksson, "The Incidence of Lightning Strikes to Power lines" IEEE Transactions on Power Delivery Vol. PWRD-2, 1987. Durante los sesenta se desarroll el contador vertical areo de descargas atmosfricas. El CIGRE 500 Hz, el cual fue rpidamente adaptado como el estndar mundial. Otros trabajos en Sudfrica desarrollaron el contador de descargas RSA 10, el cual rpidamente fue aceptado y renombrado CIGRE 10 Khz. En los setenta, varios sistemas para contar descargas fueron inventados utilizando mediciones elctricas y magnticas. La importancia de la densidad para el diseo de protecciones contra rayos fue reconocida por la Electric Power Research Institute (EPRI) en 1982, en su Lightning Research Plan. En Mxico, la C.F.E. y el Instituto Nacional de Investigaciones Elctricas (INIE) han mantenido los datos de ndices isocerunicos. Aunque ciertos valores isocerunicos obtenidos hace aos, han perdido algo su validez con los cambios climticos En los Estados Unidos, desde 1980, EPRI y el Bureau of Land Management auspiciaron estudios sobre descargas atmosfricas que dieron como resultado la National Lightning Detection Network (NLDN). Su propsito fue recolectar datos de rayos nubes-tierra por un periodo de 11 aos o ms, para coincidir con el ciclo de manchas solares, con la intencin original de localizar incendios potenciales forestales, iniciados por rayos en zonas remotas del pas. La NLDN es un sistema probado de deteccin de rayos, grabando el instante de tiempo, localizacin, polaridad y amplitud de cada uno de ellos. Los datos histricos proveen de una referencia histrica que puede ser utilizada para confirmar la cada de un rayo y, obtener los mapas de densidad de rayos utilizados para proyectar el riesgo de los rayos.

Ng = 0.04(Td)1.25




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Esta informacin est siendo utilizada por compaas elctricas y de telecomunicaciones para planear instalaciones de proteccin.

Fig. 2.- Mapa de isodensidad de rayos en la Repblica Mexicana elaborado en 1991 por CFE.

Para verificar exactamente la cantidad de descargas sobre la zona donde se localiza el rea de Trampas de envo y recibo en el Gasoducto de 48 Cactus San Fernando en el tramo de interconexin con la Estacin de Compresin Altamira, se tendra que realizar un estudio y cuantificacin de las mismas durante un perodo de al menos un ao. Se determin que observando el mapa (Elaborado por C.F.E., Fig. 2), vemos que la localizacin del rea de Trampas de envo y recibo en el Gasoducto de 48 Cactus San Fernando en el tramo de interconexin con la Estacin de Compresin Altamira, est dentro de una zona con densidad de incidencia de descargas electrostticas en niveles de 8.00 - 8.50; para lo cual se consider tomar el valor ms alto de 8.50 para calcular mediante el anlisis de riesgos si es necesario la instalacin de un sistema de proteccin contra descargas atmosfricas.




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6.0 MEMORIA DE CALCULO

CALCULO DEL NDICE DE RIESGOS. La Metodologa de Evaluacin del Riesgo es de gran ayuda, porque permite determinar el riesgo que corre el personal que lo ocupa y los daos que puede ocasionar al inmueble los rayos. Una vez que el riesgo ha sido determinado, es mucho ms fcil decidir sobre la necesidad y las medidas de proteccin a seguir. La metodologa slo tiene en cuenta el dao causado por un ataque directo al edificio o estructura a ser protegida y las corrientes que fluyen a travs del rayo, para definir la proteccin o el sistema a emplear de acuerdo a cada caso en particular. El clculo del riesgo est basado en la norma NFPA 780-2004, anexo L, la cual nos menciona que en la mayora de los casos, la necesidad de proteccin contra el rayo es evidente, tomando como ejemplo los siguientes casos:

1. Inmuebles que concentren grandes multitudes de personas. 2. Inmuebles que prestan servicio continuo que no se puede interrumpir. 3. Lugares donde la incidencia de rayos es muy alta. 4. Inmuebles, estructuras o edificaciones de altura considerable. 5. Construcciones que contengan materiales explosivos o materiales inflamables. 6. Edificio que contiene patrimonio cultural irremplazable.

La probabilidad de que a una estructura o un objeto le caiga un rayo, es el producto de la ubicacin geogrfica de la zona (nivel cerunico), el tipo de estructura del inmueble y la densidad del Rayo, para el rea en que se encuentra ubicada la estructura. Este mtodo de evaluacin de riesgos es una gua que toma en cuenta adems de la cantidad de relmpagos que caen anualmente en la zona, los siguientes factores:

1. El medio ambiente en que se encuentra la construccin. 2. El tipo de construccin. 3. La ocupacin de personas en la estructura. 4. El contenido en el interior de la estructura. 5. Las consecuencias cerebro-vasculares, producidas a las personas por la cada del rayo.

Clculo de la frecuencia promedio anual de cadas de rayo (Nd). La frecuencia promedio anual de cadas de rayo (Nd), sobre una estructura est determinada por la siguiente ecuacin: Donde: Nd = Frecuencia anual de un rayo en la estructura. Ng = Densidad anual de rayos en la regin donde se encuentra la estructura. Ae = rea equivalente de la estructura (m2). C1 = Coeficiente de medio ambiente.

61 10 CANN egd




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a). Densidad anual de rayos (Ng). El nmero promedio anual de los accesos a tierra por kilmetro cuadrado, es la densidad de rayos o relmpagos y este valor lo obtenemos del mapa de niveles Isoceraunicos elaborado por la C.F.E. y el Instituto Nacional de Investigaciones Elctricas, se encuentra en la Figura 2, hoja 8 de 23, de la presente memoria. b). rea Equivalente Colectiva (Ae). El rea equivalente colectiva (Ae) se refiere al rea terrestre donde se encuentra ubicada la estructura a proteger, y que tiene la probabilidad de que caiga un rayo directo en la estructura en promedio al ao. Es el aumento de la superficie de la estructura que incluye el efecto de la altura y la ubicacin de la estructura. El rea equivalente colectiva Ae, de una estructura se calcula de acuerdo con la Figura L.4.2 (a) a travs de la Figura L.4.2 (c). El rea equivalente de una estructura colectiva, es el rea que se obtiene mediante la extensin de una lnea con una pendiente de 1 a 3, de la parte superior de la estructura a tierra por completo alrededor de la estructura. El total es el rea equivalente colectiva (CEPA). Vea la Figura L.4.2 (a), Figura L.4.2 (b), y la Figura L.4.2 (c) para ejemplos de clculo de la CEPA.

FIGURA L.4.2 (a) Clculo del Espacio Colectivo equivalente para una estructura rectangular. FIGURA L.4.2 (b). Clculo del rea colectiva equivalente para una estructura, en la que una parte prominente abarca todas las partes de la parte inferior de la estructura.




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FIGURA L.4.2 (c). Clculo alternativo del rea equivalente colectiva, para una estructura que abarca una parte prominente, todas las porciones de la parte inferior de la estructura. c). Coeficiente Ambiental (C1). Los coeficientes ambientales, la topografa del lugar de esta la estructura y los objetos que se encuentren dentro de la distancia 3H de la estructura, que pueden afectar el rea equivalente colectiva. Los Coeficientes de Medio Ambiente figuran en la Tabla L.4.3.

Tabla L.4.3 Determinacin del coeficiente C1 Ambiental

Ubicacin Relativa de la Estructura C1

Estructura situada en los espacios que contienen estructuras o rboles de la misma altura o ms alto dentro de una distancia de 3H.

0.25

Estructura rodeada por estructuras ms pequeas dentro de una distancia de 3H.

0.5

Estructura aislada, sin otras estructuras situadas a una distancia de 3H.

1

Estructura aislada en una colina 2

Cuando la superficie equivalente colectiva de una estructura, cubre totalmente a otra estructura, dicha estructura se tendr en cuenta. Cuando las reas equivalentes colectivas de varias estructuras se superponen, el comn correspondiente se considera como una sola rea equivalente colectiva. Clculo de la frecuencia de descargas tolerables (Nc). La frecuencia de descargas tolerable (Nc), es una medida para calcular el riesgo o dao a la estructura, incluyendo factores de riesgos que afectan a la estructura de manera directa, como el medio ambiente y la prdida monetaria (de bienes). La frecuencia de descargas tolerables se expresa mediante la siguiente frmula: Donde:

CNc

3105.1

5432 CCCCC




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Los valores de C se obtiene de la Tabla L.5 (a) a la Tabla L.5 (d); 1.5 x 10-3 es una cantidad seleccionada para representar la frecuencia aceptable de las prdidas de bienes.

Tabla L.5 (a) Determinacin de Coeficiente Estructural C2

Estructura Coeficientes Estructurales C2

Techo Metalico Techo no Metalico Techo Inflamable

Metalica 0.5 1.0 2.0

No Metalica 1.0 1.0 2.5

Inflamable 2.0 2.5 3.0

Tabla L.5 (b) Determinacin del contenido de la estructura Coeficiente C3

Contenido de la Estructura C3

Bajo valor y no inflamable 0.5

Valor normado y no inflamable 1.0

De alto valor, la inflamabilidad moderada 2.0

Valor excepcional, inflamables, equipo electrnico especial 3.0

Valor excepcional, insustituible con bienes culturales 4.0

Tabla L.5 (c) Determinacin del coeficiente de ocupacin Estructura C4

Ocupacin de Estructura C4

Desocupado 0.5

Normalmente ocupado 1.0

Dificultad para evacuar o riesgo de pnico 3.0

Tabla L.5 (d) Determinacin de las consecuencias Rayo Coeficiente C5

Consecuencia del Rayo C5

La continuidad de los servicios de instalacin no es necesaria, sin impacto ambiental.

1.0

La continuidad de los servicios de instalacin es necesaria, con poco impacto ambiental.

5.0

Consecuencias para el medio ambiente 10.0

SELECCIN DEL NIVEL DE PROTECCIN. La frecuencia de descargas tolerable (Nc) se compara la frecuencia de descargas esperadas (Nd). El resultado de esta comparacin se utiliza para decidir si un sistema de proteccin contra descargas atmosfricas es necesario. Si Nd Nc, un sistema de proteccin contra descargas atmosfricas (LPS) puede ser opcional. Si Nd > Nc, un sistema de proteccin contra descargas atmosfricas debe ser instalado y debe recibir un tratamiento completo. Cuando se requiera un sistema de proteccin contra descargas atmosfricas debe instalarse segn los requisitos del presente estndar. Adems los requisitos legales y reglamentarios para la instalacin de un sistema de proteccin contra descargas atmosfricas tendrn prioridad, sobre los resultados de esta evaluacin.




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Cuando un sistema de proteccin contra descargas atmosfricas ya est instalado, las siguientes medidas de proteccin adicionales, tambin deben ser consideradas:

1. Las medidas que limitan la tensin de contacto. 2. Las medidas que limitan la propagacin. 3. Las medidas que limitan las tensiones inducidas. 4. Las medidas para reducir los efectos inducidos por los rayos a equipo electrnico sensible, como

equipos de hospitales, centros informticos, etc.

La Tabla L.6.4 proporciona un mtodo sencillo de calcular y utilizar los mtodos de evaluacin que se describe en el Anexo L.

Cuadro L.6.4 Determinacin de los Requerimientos del Sistema de Proteccin

Datos de Entrada Clculo Resultado

Equivalente colectiva zona

Ae = LW + 6H(L + W) + 9H2 Para una estructura Rectangular

L = 101.92 m W = 27.319 m H = 1.8 m H2 = 3.24 m2

Ae= 4271.74 m2

Un rayo de frecuencia esperado golpe a la estructura Nd = (Ng)(Ae)(C1)(10-6)

Ng= 8.50 Ae= 4271.74 C1= 1

Nd = 0.0363

Frecuencia de descargas tolerable a la estructura Nc = (1.5 x 10-3) / C Donde: C = (C2)(C3)(C4)(C5)

C2= 0.5 C3= 3.0 C4= 0.5 C5= 5.0

Nc = 0.0004

Si Nd Nc, un LPS puede ser opcional. Si Nd > Nc, un LPS debe ser instalado.

0.0363 > 0.0004

El ndice de riesgo nos dice si Nd > Nc, se debe instalar un sistema de proteccin contra descargas atmosfricas y debe recibir un tratamiento completo El anlisis final dio como resultado: 0.0363 > 0.0004, que de acuerdo con NFPA-780 2004, se debe instalar un sistema de proteccin contra descargas atmosfricas. ZONA DE PROTECCIN. En Norteamrica, los equipos y estructuras son clasificados segn su necesidad de proteccin contra Descargas Atmosfricas. Referencia: ANSI/NFPA 78-1989. PRIMERA CLASE.- Las estructuras de esta clase, requieren de poca o ninguna proteccin. El requisito es que verdaderamente estn conectados a tierra. Ejemplos de esta clase son: a). Todos las estructuras metlicas excepto tanques u otras estructuras que contengan materiales inflamables. b). Tanques de agua, silos y estructuras similares, construidas mayormente de metal. c). Astas bandera construidas de algn material conductor. SEGUNDA CLASE.- Esta clase consiste de edificios con cubierta conductora y estructura no conductora, tal como edificios con cubierta metlica. Este tipo requiere de conductores para conectar la cubierta a electrodos en la tierra.




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TERCERA CLASE.- Esta clase consiste de edificios con estructura metlica y cubierta no conductora. Este tipo requiere de terminales areas conectadas a la estructura y fuera de la cubierta para actuar como terminales pararrayos. CUARTA CLASE.- Esta clase consiste de estructuras no metlicas, que requieren una proteccin. Se incluyen en esta clase: a) Edificios de madera, piedra, ladrillo u otros materiales no conductores, sin elementos de refuerzo metlicos. b) Chimeneas. An con elementos de refuerzo, stas deben tener una gran proteccin contra rayos, con terminales areas, cables de bajada y electrodos de aterrizado. QUINTA CLASE.- Una quinta clase consiste de aquellas cosas cuya prdida puede ser de consecuencias, y que normalmente recibe un tratamiento pararrayos completo, incluyendo terminales areas, cables de bajada y electrodos de aterrizado. Entre stas estn: a) Edificios de gran valor esttico, histrico o intrnseco. b) Edificios conteniendo combustibles o materiales explosivos. c) Estructuras conteniendo sustancias que pueden ser peligrosas si se derraman como consecuencia de una descarga. d) Tanques o conjuntos de tanques. e) Plantas de energa y estaciones de bombeo. f) Lneas de transmisin. g) Subestaciones elctricas. Para la seleccin de la zona de proteccin de acuerdo con lo descrito anteriormente, tenemos que el rea de Trampas de envo y recibo en el Gasoducto de 48 Cactus San Fernando en el tramo de interconexin con la Estacin de Compresin Altamira, se engloba dentro de la Quinta Clase por lo que esta zona debe recibir un tratamiento completo para la seleccin de un sistema de pararrayos. MTODO PARA EL CLCULO. Para desarrollar los clculos del Sistema de Pararrayos en el rea de Trampas de envo y recibo en el Gasoducto de 48 Cactus San Fernando en el tramo de interconexin con la Estacin de Compresin Altamira, y ya teniendo bien determinado el nivel y la zona de proteccin necesario para las estructuras en particular del CML; y de acuerdo con la NFPA-780 2004, se requiere de la siguiente informacin:

Dimensiones de la Estructura

Posicin Geogrfica de la estructura determinando si se encuentra: Aislada, en la cima de una montaa, junto con otras construcciones ms altas u otras ms bajas.

Frecuencia de ocupacin de la estructura por personas.

Riesgos de pnico.

Dificultad de acceso.

Cantidad de servicio.

Contenido de la estructura.

Forma e inclinacin de los techos.

Naturaleza del techo.




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Los mtodos recomendados por la NFPA-780 2004 son:

El mtodo de la esfera giratoria de Golde.

El principio del mstil segn Franklin.

El principio de la jaula electrosttica segn Faraday.

De acuerdo con las condiciones del CML y tomando en cuenta el nivel cerunico y las Caractersticas de la proteccin, el mtodo a utilizar ser El mtodo del ngulo de Proteccin, el cual se deriva de los modelos Electro geomtricos y una simplificacin del mtodo de la Esfera rodante. MTODO DEL NGULO DE PROTECCIN Este sistema se basa en el "EFECTO PUNTA". Es el tpico pararrayos formado por una varilla metlica acabada en una o varias puntas. El mtodo del ngulo de proteccin es una simplificacin del mtodo de la esfera rodante, en donde para una altura relativa dada, existe un ngulo de proteccin de la punta captadora o cable areo de proteccin el cual puede determinarse de acuerdo a la tabla 6.4.1.

Tabla 6.4.1 ngulo de proteccin dependiendo de la altura relativa y el nivel de proteccin. La zona protegida por un pararrayos con efecto PUNTA tiene forma cnica (ver figuras 6.1 y 6.2). En este tipo de pararrayos, el efecto de compensacin de potencial es muy reducido, por lo que en zonas con alto riesgo suelen usarse otro tipo de pararrayos:

Tipo radiactivo: consiste en una barra metlica en cuyo extremo se tiene una caja que contiene una pequea cantidad de istopo radiactivo, cuya finalidad es la de ionizar el aire a su alrededor mediante la liberacin de partculas alfa; Este aire ionizado favorece generacin del canal del rayo hasta tierra, obteniendo un rea protegida de forma esfrico-cilndrica. El Real Decreto 1428/86 del Ministerio de Industria y Energa prohbe expresamente el uso de este tipo de pararrayos.

Tipo in-corona solar: este tipo de pararrayos incorpora un dispositivo elctrico de generacin de iones de forma permanente, constituyendo la mejor alternativa a los pararrayos atmicos. La energa necesaria para su funcionamiento suele proceder de fotoclulas.




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Tipo piezoelctrico: se basa en la capacidad de los materiales piezoelctricos, de producir carga elctrica a partir de los cambios en su estructura debido a presiones externas (tales como las producidas por el viento durante un vendaval). Para mejorar el comportamiento de los pararrayos de punta, puede usarse la tcnica denominada "Matriz de Dispersin", que consiste en un conjunto de puntas simples o ionizadoras cuya misin es la de ofrecer multitud de puntos de descarga entre tierra y nube, as modo la repartir esa descarga de neutralizacin en una regin mayor de modo que se reduce la aparicin de puntos con distintos potenciales que favorezcan la aparicin del rayo.

Figura 6.1. Conos de proteccin de acuerdo al metodo ngulo de proteccin.

Figura 6.2. Modelo de acuerdo a la figura 4.1.2.2. del captulo 4 de la NFPA 780, 2004.

De acuerdo a las caractersticas de la proteccin, el nivel cerunico, la zona de proteccin, el plano de planta de las trampas y las recomendaciones del cliente, se debe proteger toda el rea de Trampas de envo y recibo en el Gasoducto de 48 Cactus San Fernando en el tramo de interconexin con la Estacin de Compresin Altamira, con dimensiones de 101.92 m de largo por 27.319 m de ancho y que en total nos da un rea de 2,784.35 m2; para lo cual el Mtodo de ngulo de Proteccin es ideal para cumplir con los requisitos antes mencionados, adems usaremos el sistema de proteccin integral de pararrayos Dipolo Corona colocando la cantidad de puntas necesarias para cubrir el rea antes mencionada.




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Como se mencion anteriormente, este mtodo conjuga tambin la base del Modelo Electro Geomtrico de la Norma NF C-17-102 de Julio de 1995, Proteccin contra Descargas Atmosfricas (rayos) con pararrayos y dispositivo de avance de cebado utilizando el siguiente paso. Para el clculo del Radio de Proteccin se hace de acuerdo al modelo Electro geomtrico y al procedimiento que se menciona en la Norma NF C-17-102 Apndice A.3.2.

Fig. 3.- Modelo Electro geomtrico De acuerdo con el procedimiento de la norma y la figura 3, la frmula para el clculo del radio de proteccin queda de la siguiente manera:

Donde: Rp = Radio de proteccin del Pararrayos. h = Altura tomada desde la superficie horizontal a proteger hasta la punta del pararrayos, esta altura

debe ser igual o mayor a 2 metros.

L = Ganancia en el cebado del trazador ascendente (creacin del efecto corona) dada en metros. D = Distancia de impacto (equilibrio inico nube- tierra). I = Pico de corriente del primer arco de retorno, est dada en Kiloamperes. D = Esta dada en metros y se expresa para tres niveles en funcin de la severidad del rayo en

kiloamperes. Nivel I = 20 metros; para proteccin de inmuebles conteniendo sustancias peligrosas. Nivel II = 45 metros; para proteccin de inmuebles conteniendo concentracin de personas y equipos elctricos- electrnicos. Nivel III = 60 metros; para proteccin de personas en reas abiertas.

h

L

B D

D

Rp C

LDLhDhRp 22




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Radios de Proteccin.

7.0 SELECCIN DEL SISTEMA PARARRAYOS

Seleccin del pararrayos: De acuerdo con la figura 2 de la hoja 8 de 21, el valor promedio de la densidad de incidencia de descargas electroestticas es de 8.50; con los resultados del ndice de Riesgos 0.0363 > 0.0004 (Nd > NC1), debemos instalar un sistema contra descargas atmosfricas; y de acuerdo a la Informacin que proporciona el Plano de Localizacin General, nos indica que se debe proteger un rea total de 2,784.35 m2, que corresponde a la ubicacin de las trampas de recibo y envo de diablos. Se selecciona un Sistema Integral de pararrayos tipo Dipolo Corona el cual nos garantiza de acuerdo a datos de proveedor un radio de proteccin de 21 metros, a una altura mnima de 7 metros; soporta una corriente de 40,000 Amperes, diseado para conducir descargas atmosfricas peridicas, sin deterioro y sin necesidad de mantenimiento, se compone de:

Anillo equipotencial.

Disco Dielctrico con excitador Toroidal.

Varilla de descarga.

Adaptador Concntrico.

Zapata de conexin.

Se recomienda utilizar este sistema con un electrodo para tierra fsica calibre 1/0 AWG como mnimo, de la mima marca que el pararrayos.

NIVEL I

Proteccin Reforzada:

Proteccin Normal:

Proteccin Extra Reforzada:

NIVEL II

Radio de proteccin

Pararrayos

NIVEL III

R

p

R

Inmueble a proteger

R




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8.0 FICHA TECNICA PARARRAYOS DIPOLO CORONA.

Funcionamiento y estndar de Fabricacin de Pararrayos Dipolo Corona.




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9.0 NIVEL DE PROTECCIN

El rea de proteccin terica de un sistema pararrayos Dipolo Corona est dada por la influencia catdica (-) del electrodo generador enterrado y su interaccin con potencial conducido desde el suelo a la punta, de acuerdo al siguiente esquema.

1800

10200

6700

16900

51926

72

6000

1756

1056




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10.0 CONCLUSIONES

PARA EL SISTEMA DE CAPTACIN: De acuerdo a la clasificacin de reas que menciona la ANSI/NFPA 78-1989, el rea de Trampas de envo y recibo en el Gasoducto de 48 Cactus San Fernando en el tramo de interconexin con la Estacin de Compresin Altamira, se engloba dentro de la Quinta Clase por lo que debe recibir un tratamiento completo para la seleccin de un sistema de pararrayos, incluyendo el clculo del ndice de riesgo. El ndice de riesgo nos dice si un sistema de proteccin contra descargas atmosfricas debe ser instalado o no usando el criterio de si Nd > Nc se debe instalar, de lo contrarios este es opcional; el anlisis final dio como resultado: 0.0363 > 0.0004 de acuerdo con NFPA-780 2004, se debe instalar un sistema de proteccin contra descargas atmosfricas. Por el nivel isocerunico de la zona (8.50), la clasificacin del rea y la informacin proporcionada, se recomienda la colocacin de un Sistema captador de Descargas Atmosfricas tipo Dipolo Corona, que de acuerdo a los datos tcnicos del proveedor tiene un cono de proteccin con radio de 21 m a una altura de 7m., Y que cumple con IEC 61024-1. 1990-03 "Proteccin de estructuras contra los rayos. Parte 1: principios generales", cumple con la NFPA-780. Se deber instalar en poste de concreto de 12 m de altura que de acuerdo a norma este se deber incar en un foso de 1.80 m de profundidad, dando una altura de 10.20 m, que sumado al mstil y la punta Dipolo Corona nos da una altura total de 16.90 m; el proveedor nos dice que el cono de proteccin forma un ngulo de 72, y como resultado tenemos un radio de proteccin de 51.926 m. Con este radio de proteccin, se realiza una proyeccin en el rea a proteger y nos da como resultado la colocacin de 2 puntas como mnimo, para garantizar la proteccin de toda el rea de Trampas de envo y recibo en el Gasoducto de 48 Cactus San Fernando en el tramo de interconexin con la Estacin de Compresin Altamira, y no entorpecer las maniobras de mantenimiento y las corridas de diablos en el punto de interconexin. PARA EL CONDUCTOR BAJANTE: La seleccin del cable de pararrayos debe cumplir con lo descrito en el Articulo 921-10 inciso c para pararrayos primarios de la NOM-001-SEDE-2005, en cuanto a flexibilidad y resistencia mecnica del conductor, la correcta seleccin del calibre, la sujecin de este a la estructura y todos los accesorios adicionales y con todo lo descrito en el Captulo 921 de la misma norma, referente a las caractersticas y seleccin del cable. Tambin debe cumplir con lo descrito en 8.2.2.3 y 8.2.2.4 de la NRF-070-PEMEX-2004. Por lo cual se recomienda usar como electrodo de descarga cable desnudo calibre 1/0 AWG, tipo trenzado como mnimo, recomendado por el proveedor. PARA EL SISTEMA DE PUESTA A TIERRA: Para el sistema de puesta a tierra o descarga del pararrayos, se usar electrodo para descarga, tipo rehilete, altura total de 70 cm, ancho de hoja 30 cm, largo de hoja 40 cm, grosor de hoja calibre 22 (0.71 mm); el cual se deber interconectar al sistema general de tierras de las trampas de diablos, as como al




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sistema general de tierras de la Estacin de Compresin Altamira, para formar un sistema equipotencial.

Mc l 003 Pararrayos

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