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”Ø CACTUS – SAN FERNANDO EN EL TRAMO DE INTERCONEXION CON LA ESTACION DE COMPRESION ALTAMIRA. ELABOR ELABOR : O.D.P.M. O.D.P.M.

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MEMORIA DE CALCULO PARA SISTEMA DE PARARRAYOS

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Revisión:

PARA REVISION

Descripción:

O.D.P.M.

J.A.P.C.

J.A.P.C.

06/02/15

Elaboró:

Revisó: Aprobó: Fecha DEPARTAMENTO DE INGENIER A

ED. DEPTO. ING. Supervisor Residente DE PROYECTOS CLIENTE: GAS Y PETROQUIMICA BASICA

Fecha

MEMORIA DE CALCULO PARA SISTEMA DE PARARRAYOS INGENIERIA, PROCURA, CONSTRUCCION DE TRAMPAS DE ENVIO Y RECIBO EN EL GASODUCTO DE 48”Ø CACTUS – SAN FERNANDO EN EL TRAMO DE INTERCONEXION CON LA ESTACION DE COMPRESION ALTAMIRA. ELABOR ELABOR : O.D.P.M. O.D.P.M.

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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 DISEÑO PARA LA PROTECCION EXTERNA ........................7

6.0

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

7.0

SELECCIÓN DEL SISTEMA PARARRAYOS ........................................................................................... 18

8.0

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

9.0

NIVEL DE PROTECCIÓN ........................................................................................................................... 20

10.0

CONCLUSIONES ....................................................................................................................................... 21

MEMORIA DE CALCULO PARA SISTEMA DE PARARRAYOS INGENIERIA, PROCURA, CONSTRUCCION DE TRAMPAS DE ENVIO Y RECIBO EN EL GASODUCTO DE 48”Ø CACTUS – SAN FERNANDO EN EL TRAMO DE INTERCONEXION CON LA ESTACION DE COMPRESION ALTAMIRA. ELABOR : O.D.P.M.

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INTRODUCCION A través de la presente memoria serán definidas las condiciones para proponer la instalación de un Sistema de Protección contra descargas atmosféricas en las “ T ramp as de envío y recib o en el G asoducto de 48” Ø Cac tu s – San Fernando en el tramo d e interconexión co n la Estación de Compresión Altam ira ” , con la cual podremos asegurar si se requiere de esta protección o no en el punto

antes mencionado. 2.0

OBJETIVO Presentar el diseño y especificaciones de los sistemas de protección contra descargas Atmosféricas que brinden la mayor seguridad tanto al personal como al área de “ T ramp as d e envío y recib o en el G asoducto de 48”Ø Cactus – San Fernando en el tramo d e interconexión con la Estación de Compresión Altamira ” , utilizando para ello la tecnología apropiada, que cumpla con las normas y

especificaciones nacionales e internacionales. 3.0

NORMAS, CODIGOS Y ESTANDARES UTILIZADOS Las normas que a continuación se indican, forman parte de esta memoria de cálculo. Cada norma utilizada durante el diseño y fue la última revisión:         

NOM-001-SEDE-2005 NFPA 780-2004 NOM-025-STPS-1999 NRF-048-PEMEX-2007 NRF-036-PEMEX-2011 NEC API NFPA-780A NMX-J-549-ANCE-2005

Instalaciones Eléctricas (Utilización). Standard for the installation of lightning protection systems, 2004 edition. Condiciones de Iluminación en los Centros de Trabajo. Diseño de Instalaciones Eléctricas en Plantas Industriales. Clasificación de áreas peligrosas y selección de equipo eléctrico National Electrical Code (NFPA-70). American Petroleum Institute. Diseño de Sistemas de Protección contra Descargas Atmosféricas. Sistemas de protección contra Tormentas Eléctricas – Especificaciones, materiales y métodos de medición.

NOTA: El desarrollo de la Ingeniería deberá considerar normas, códigos y/o estándares que apliquen en

su caso y no deberá sujetarse únicamente a las aquí especificadas. 4.0

CONCEPTOS BASICOS La descarga atmosférica conocida como rayo, es la igualación violenta de cargas de un campo eléctrico 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 éstos se pueden encontrar 4 tipos: 2 iniciados en las nubes, y 2 iniciados en tierra, ya que pueden ser positivos o negativos. Los más 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 montañas o en estructuras altas, por lo que no los t omaremos en cuenta en lo subsiguiente.


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Los rayos iniciados en las nubes negativas, normalmente aparecen en nubes de tormenta del tipo Cúmulo - Nimbus Convectivas que usualmente miden de 3 a más de 50 Km. de largo, y son consecuencia de un rompimiento dieléctrico atmosférico. Este rompimiento una vez iniciado, avanza en zigzag a razón de unos 50 metros por microsegundo con descansos de 50 microsegundos. Una vez que el rompimiento creó una columna de plasma en el aire, la descarga eléctrica surgirá inmediatamente dentro de un hemisferio de unos 50 m de radio del punto de potencial más alto. Y, cualquier objeto puede ser el foco de esta descarga hacia arriba de partículas positivas, aún desde una parte metálica debajo de una torre. Los rayos consisten usualmente de descargas múltiples, 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 más rápidos, aunque la velocidad de las descargas se ha encontrado que depende del lugar geográfico. La primera descarga está entre 6 y 15 x 10e 7 m/s y la segunda entre 11 y 13 x 10e7 m/s. Las descargas atmosféricas pueden causar grandes diferencias de potencial en Sistemas Eléctricos distribuidos fuera de edificios o de estructuras protegidas. A consecuencia de ello, pueden circular grandes corrientes en las canalizaciones metálicas, y entre conductores que conectan dos zonas aisladas. Pero, aún sin la descarga, una nube cargada electrostáticamente crea diferencias de potencial en la tierra directamente debajo de ella. El campo eléctrico 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 podría contener unos 140 MW de energía con voltajes hasta de 100 MV, con una carga en movimiento intranube de unos 40 Coulombs. Esta energía 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. Edición, Págs. 545-552, maneja una magnitud promedio de una descarga negativa de 31 kA, con una pendiente promedio máxima de 24.3 kV/us. Y para las descargas que siguen a la primera, una magnitud menor aunque más rápidas, 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 más 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 más frecuentemente en tormentas invernales con nieve y en latitudes altas. Algunas particularidades aumentan la probabilidad de la caída 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. Además, las puntas agudas incrementan también la probabilidad de una descarga. La protección de estructuras es más tolerante que una protección electrónica. Así, un edificio puede tolerar hasta 100,000 V mientras que componentes electrónicos a 24 V se dañarán con voltajes sostenidos de 48 volts.


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Los rayos ocurren con diferentes intensidades y un sistema que proteja contra su efecto deberá ser diseñado tomando en cuenta los rayos promedio o mayores del área en cuestión. Las descargas no pueden ser detenidas, pero la energía puede ser desviada en una forma controlada. El intentar proteger contra descargas directas puede ser excesivamente caro. Un sistema de protección contra descargas, llamado de pararrayos, debe: 

Capturar el rayo en el punto diseñado para tal propósito llamado terminal aérea.



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



Disipar la energía en un sistema de terminales (electrodos) en tierra.

Cuando la energía de un rayo viaja a través de una trayectoria de gran impedancia, el daño causado puede ser grave por el calor y las fuerzas mecánicas 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 múltiples conectados entre sí, 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 aún más cuando una nube cargada pasa por encima de la malla. Además, una descarga eléctrica que caiga cerca, causará grandes corrientes en la tierra para restablecer el equilibrio de cargas. Al fluir esta corriente por tierra, causará una diferencia de potencial entre los diferentes electrodos y esta diferencia de potencial, a su vez, causará que fluya corriente por los conductores de la malla. Es conocido que un campo magnético 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, fluirá 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 señales eléctricas de alta frecuencia, gran potencial y alta corriente, por ello son causa de interferencia en sistemas electrónicos. Son de alta frecuencia por la elevada razón de cambio de la señal, de aproximadamente 1 us. Por ello, para dirigir a tierra las descargas atmosféricas se utilizan las técnicas para señales 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 más largos de 10 m tienen una impedancia en términos prácticos 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). Además, estas señales de alta frecuencia no seguirán nunca una vuelta muy cerrada del conductor, porque cada doblez incrementa la reactancia inductiva. De ahí, que todos los cables de conexión 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 múltiples conectados en paralelo a tierra.


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Como los rayos se reflejan como cualquier onda de alta frecuencia, es básico 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 diámetro tiene una inductancia de 400* 10-7 H, lo que dará 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 electromagnética atmosférica se origina de formas diversas:

Fig. 1.- Esquema de la interactividad Atmósfera-Tierra-Atmósfera. PRINCIPIOS DEL PARARRA YOS

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 diseñados con puntas afiladas. Ya que un rayo caerá sobre la estructura de la cual se emita un líder descendente negativo, los pararrayos deben ser la estructura más alta de manera que el líder ascendente que se emita por la punta del pararrayos llegue más rápidamente al líder 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 p lanta. Considerando que el pararrayos va a drenar una gran cantidad de corriente, es necesario que el pararrayos tenga una muy buena conexión a tierra y que esté diseñado para soportar la energía que se drenará a través de él. El pararrayos debe ser la estructura con mayor altura, esto es evidente si se piensa que el líder ascendente del pararrayos debe de llegar primero al líder descendente de la nube.


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DATOS DE ENTRADA Y CRITERIOS DE DISEÑO PARA LA PROTECCION EXTERNA Esta memoria de cálculo fue desarrollada en base a datos y criterios proporcionados por fabricantes de los pararrayos. Nota : Los valores de diseño se proporcionan dependiendo la zona a proteger. TENSIÓN DE A LIME NTA CIÓN.

Para cualquier análisis de ingeniería se requiere del número de descargas por unidad de tiempo y unidad de área, o la densidad de descargas (GFD por las siglas en inglés de Ground Flash Density) regional expresada normalmente como un promedio anual. Durante muchos años, los servicios meteorológicos del mundo han anotado los días tormenta o niveles queráunicos. Un día tormenta es un día en que un trueno es escuchado. Los datos queráunicos son compilados en cartas geográficas con líneas de igual nivel queráunicos o líneas isoqueráunicas. Con los años, se han propuesto relaciones matemáticas entre los días tormenta al año (Td) registrados y la densidad de descargas a tierra (Ng) (descargas a tierra/unidad de área/unidad de t iempo). Ng = 0.04(Td)1.25 A. J. Eriksson, "The Incidence of Lightning Strikes to Power lines" IEEE Transactions on Power Delivery Vol. PWRD-2, 1987. Durante los sesenta se desarrolló el contador vertical aéreo de descargas atmosféricas. El CIGRE 500 Hz, el cual fue rápidamente adaptado como el estándar mundial. Otros trabajos en Sudáfrica desarrollaron el contador de descargas RSA 10, el cual rápidamente fue aceptado y renombrado CIGRE 10 Khz. En los setenta, varios sistemas para contar descargas fueron inventados utilizando mediciones eléctricas y magnéticas. La importancia de la densidad para el diseño de protecciones contra rayos fue reconocida por la Electric Power Research Institute (EPRI) en 1982, en su Lightning Research Plan. En México, la C.F.E. y el Instituto Nacional de Investigaciones Eléctricas (INIE) han mantenido los datos de índices isoceráunicos. Aunque ciertos valores isoceráunicos obtenidos hace años, han perdido algo su validez con los cambios climáticos En los Estados Unidos, desde 1980, EPRI y el Bureau of Land Management auspiciaron estudios sobre descargas atmosféricas que dieron como resultado la National Lightning Detection Network (NLDN). Su propósito fue recolectar datos de rayos nubes-tierra por un periodo de 11 años o más, para coincidir con el ciclo de manchas solares, con la intención original de localizar incendios potenciales forestales, iniciados por rayos en zonas remotas del país. La NLDN es un sistema probado de detección de rayos, grabando el instante de tiempo, localización, polaridad y amplitud de cada uno de ellos. Los datos históricos proveen de una referencia histórica que puede ser utilizada para confirmar la caída de un rayo y, obtener los mapas de densidad de rayos utilizados para proyectar el riesgo de los rayos.


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Esta información está siendo utilizada por compañías eléctricas y de telecomunicaciones para planear instalaciones de protección.

Fig. 2.- Mapa de isodensidad de rayos en la República Mexicana elaborado en 1991 por CFE. Para verificar exactamente la cantidad de descargas sobre la zona donde se localiza el área de “Trampas de envío y recibo en el Gasoducto de 48”Ø Cactus – San Fernando en el tramo de intercon exión con la Estación de Compresión Altamira” , se tendría que realizar un estudio y cuantificación de las

mismas durante un período de al menos un año. Se determinó que observando el mapa (Elaborado por C.F.E., Fig. 2), vemos que la localización del área de “ T ramp as d e envío y recibo en el G asoducto de 48”Ø Cactus – San Fernando en el tramo de intercon exión con la Estación de Com presión Altamira ” , está dentro de una zona con densidad de incidencia de descargas electrostáticas en niveles de 8.00 - 8.50; para lo cual se consideró tomar el valor más alto de 8.50 para calcular mediante el análisis de riesgos si es necesario la instalación de un sistema de protección contra descargas atmosféricas.


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MEMORIA DE CALCULO CA LCU LO D EL ÍNDICE DE RIESG OS.

La Metodología de Evaluación del Riesgo es de gran ayuda, porque permite determinar el riesgo que corre el personal que lo ocupa y los daños que puede ocasionar al inmueble los rayos. Una vez que el riesgo ha sido determinado, es mucho más fácil decidir sobre la necesidad y las medidas de protección a seguir. La metodología sólo tiene en cuenta el daño causado por un ataque directo al edificio o estructura a ser protegida y las corrientes que fluyen a través del rayo, para definir la protección o el sistema a emplear de acuerdo a cada caso en particular. El cálculo del riesgo está basado en la norma NFPA 780-2004, anexo L, la cual nos menciona que en la mayoría de los casos, la necesidad de protección 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 ubicación geográfica de la zona (nivel ceráunico), el tipo de estructura del inmueble y la densidad del Rayo, para el área en que se encuentra ubicada l a estructura. Este método de evaluación de riesgos es una guía que toma en cuenta además de la cantidad de relámpagos que caen anualmente en la zona, los siguientes factores: 1. El medio ambiente en que se encuentra la construcción. 2. El tipo de construcción. 3. La ocupación 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 caída del rayo. Cálculo de la frecuencia promedio anual de caídas de rayo (Nd). La frecuencia promedio anual de caídas de rayo (Nd), sobre una estructura está determinada por la siguiente ecuación:

N d



 N  A C 10  6

g

e

1

Donde: Nd = Frecuencia anual de un rayo en la estructura. Ng = Densidad anual de rayos en la región donde se encuentra la estructura. Ae = Área equivalente de la estructura (m 2). C1 = Coeficiente de medio ambiente.


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a). Densidad anual de rayos (Ng). El número promedio anual de los accesos a tierra por kilómetro cuadrado, es la densidad de rayos o relámpagos y este valor lo obtenemos del mapa de niveles Isoceraunicos elaborado por la C.F.E. y el Instituto Nacional de Investigaciones Eléctricas, se encuentra en la Figura 2, hoja 8 de 23, de la presente memoria. b). Área Equivalente Colectiva (Ae). El área equivalente colectiva (Ae) se refiere al área 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 año. Es el aumento de la superficie de la estructura que incluye el efecto de la altura y la ubicación de la estructura. El área equivalente colectiva Ae, de una estructura se calcula de acuerdo con la Figura L.4.2 (a) a través de la Figura L.4.2 (c). El área equivalente de una estructura colectiva, es el área que se obtiene mediante la extensión de una línea 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 área 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 cálculo de la CEPA.

FIGURA L.4.2 (a) Cálculo del Espacio Colectivo equivalente para una estructura rectangular.

FIGURA L .4.2 (b). Cálculo del área 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). Cálculo alternativo del área 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 topografía del lugar de esta la estructura y los objetos que se encuentren dentro de la distancia 3H de la estructura, que pueden afectar el área equivalente colectiva. Los Coeficientes de Medio Ambiente figuran en la Tabla L.4.3. Tabla L.4.3 Determinación del coeficiente C1 Ambiental Ubicación Relativa de la Estructura C1 Estructura situada en los espacios que contienen estructuras o árboles de la misma 0.25 altura o más alto dentro de una distancia de 3H. Estructura rodeada por estructuras más 0.5 pequeñas dentro de una distancia de 3H. Estructura aislada, sin otras estructuras 1 situadas a una distancia de 3H. Estructura aislada en una colina 2 Cuando la superficie equivalente colectiva de una estructura, cubre totalmente a otra estructura, dicha estructura se tendrá en cuenta. Cuando las áreas equivalentes colectivas de varias estructuras se superponen, el común correspondiente se considera como una sola área equivalente colectiva. Cálculo de la frecuencia de descargas tolerables (Nc). La frecuencia de descargas tolerable (Nc), es una medida para calcular el riesgo o daño a la estructura, incluyendo factores de riesgos que afectan a la estructura de manera directa, como el medio ambiente y la pérdida monetaria (de bienes). La frecuencia de descargas tolerables se expresa mediante la siguiente fórmula: 3

N c



1.5  10

C

Donde:

C  C 2 C 3 C 4 C 5 


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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 pérdidas de bienes.

Estructura Metalica No Metalica Inflamable

Tabla L.5 (a) Determinación de Coeficiente Estructural C2 Coeficientes Estructurales C2 Techo Metalico Techo no Metalico Techo Inflamable 0.5 1.0 2.0 1.0 1.0 2.5 2.0 2.5 3.0

Tabla L.5 (b) Determinación 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 electrónico especial 3.0 Valor excepcional, insustituible con bienes culturales 4.0 Tabla L.5 (c) Determinación del coeficiente de ocupación Estructura C4 Ocupación de Estructura C4 Desocupado 0.5 Normalmente ocupado 1.0 Dificultad para evacuar o riesgo de pánico 3.0 Tabla L.5 (d) Determinación de las consecuencias Rayo Coeficiente C5 Consecuencia del Rayo C5 La continuidad de los servicios de instalación 1.0 no es necesaria, sin impacto ambiental. La continuidad de los servicios de instalación 5.0 es necesaria, con poco impacto ambiental. Consecuencias para el medio ambiente 10.0

SEL ECCIÓN DEL NIVEL DE PRO TECCIÓN.

La frecuencia de descargas tolerable (Nc) se compara la frecuencia de descargas esperadas (Nd). El resultado de esta comparación se utiliza para decidir si un sistema de protección contra descargas atmosféricas es necesario. Si Nd ≤ Nc, un sistema de protección contra descargas atmosféricas (LPS) puede ser opcional. Si Nd > Nc, un sistema de protección contra descargas atmosféricas debe ser instalado y debe recibir un tratamiento completo. Cuando se requiera un sistema de protección contra descargas atmosféricas debe instalarse según los requisitos del presente estándar. Además los requisitos legales y reglamentarios para la instalación de un sistema de protección contra descargas atmosféricas tendrán prioridad, sobre los resultados de esta evaluación.


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Cuando un sistema de protección contra descargas atmosféricas ya está instalado, las siguientes medidas de protección adicionales, también deben ser consideradas: 1. Las medidas que limitan la tensión de contacto. 2. Las medidas que limitan la propagación. 3. Las medidas que limitan las tensiones inducidas. 4. Las medidas para reducir los efectos inducidos por los rayos a equipo electrónico sensible, como equipos de hospitales, centros informáticos, etc. La Tabla L.6.4 proporciona un método sencillo de calcular y utilizar los métodos de evaluación que se describe en el Anexo L. Cuadro L.6.4 Determinación de los Requerimientos del Sistema de Protección Datos de Entrada Cálculo Resultado Equivalente colectiva zona Ae = LW + 6H(L + W) + 9H2 Para una estructura Rectangular Un rayo de frecuencia esperado golpe a la estructura Nd = (Ng)(Ae)(C1)(10 -6) Frecuencia de descargas tolerable a la estructura Nc = (1.5 x 10-3) / C Donde: C = (C2)(C3)(C4)(C5) Si Nd ≤ Nc, un LPS puede ser opcional.

L = 101.92 m W = 27.319 m H = 1.8 m H2 = 3.24 m 2 Ng= 8.50 Ae= 4271.74 C1= 1 C2= 0.5 C3= 3.0 C4= 0.5 C5= 5.0

Ae= 4271.74 m2

Nd = 0.0363

Nc = 0.0004

0.0363 > 0.0004 Si Nd > Nc, un LPS debe ser instalado. El índice de riesgo nos dice si Nd > Nc, se debe instalar un sistema de protección contra descargas atmosféricas y debe recibir un tratamiento completo El análisis final dio como resultado: 0.0363 > 0.0004, que de acuerdo con NFPA-780 2004, se debe instalar un sistema de protección contra descargas atmosféricas. ZONA DE PROT ECCIÓN.

En Norteamérica, los equipos y estructuras son clasificados según su necesidad de protección contra Descargas Atmosféricas. Referencia: ANSI/NFPA 78-1989. PRIMERA CLASE.- Las estructuras de esta clase, requieren de poca o ninguna protección. El requisito es que verdaderamente estén conectados a tierra. Ejemplos de esta clase so n: a). Todos las estructuras metálicas excepto tanques u otras estructuras que contengan materiales inflamables. b). Tanques de agua, silos y estructuras similares, construidas m ayormente de metal. c). Astas bandera construidas de algún material conductor. SEGUNDA CLASE.- Esta clase consiste de edificios con cubierta conductora y estructura no conductora, tal como edificios con cubierta metálica. 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 metálica y cubierta no conductora. Este tipo requiere de terminales aéreas conectadas a la estructura y fuera de la cubierta para actuar como terminales pararrayos. CUARTA CLASE.- Esta clase consiste de estructuras no metálicas, que requieren una protección. Se incluyen en esta clase: a) Edificios de madera, piedra, ladrillo u otros materiales no conductores, sin elementos de refuerzo metálicos. b) Chimeneas. Aún con elementos de refuerzo, éstas deben tener una gran protección contra rayos, con terminales aéreas, cables de bajada y electrodos de aterrizado. QUINTA CLASE.- Una quinta clase consiste de aquellas cosas cuya pérdida puede ser de consecuencias, y que normalmente recibe un tratamiento pararrayos completo, incluyendo terminales aéreas, cables de bajada y electrodos de aterrizado. Entre éstas están: a) Edificios de gran valor estético, histórico o intrínseco. 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 energía y estaciones de bombeo. f) Líneas de transmisión. g) Subestaciones eléctricas. Para la selección de la zona de protección de acuerdo con lo descrito anteriormente, tenemos que el área de Trampas de envío y recibo en el Gasoducto de 48”Ø Cactus – San Fernando en el tramo de interconexión con la Estación de Compresión Altamira, se engloba dentro de la Quinta Clase por lo que esta zona debe recibir un tratamiento completo para la selección de un sistema de pararrayos. MÉTODO PA RA EL CÁLCULO .

Para desarrollar los cálculos del Sistema de Pararrayos en el área de Trampas de envío y recibo en el Gasoducto de 48”Ø Cactus – San Fernando en el tramo de interconexión con la Estación de Compresión Altamira, y ya teniendo bien determinado el nivel y la zona de protección necesario para las estructuras en particular del CML; y de acuerdo con la NFPA-780 2004, se requiere de la siguiente información:         

Dimensiones de la Estructura Posición Geográfica de la estructura determinando si se encuentra: Aislada, en la cima de una montaña, junto con otras construcciones más altas u otras más bajas. Frecuencia de ocupación de la estructura por personas. Riesgos de pánico. Dificultad de acceso. Cantidad de servicio. Contenido de la estructura. Forma e inclinación de los techos. Naturaleza del techo.


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Los métodos recomendados por la NFPA-780 2004 son:   

El método de la esfera giratoria de Golde. El principio del mástil según Franklin. El principio de la jaula electrostática según Faraday.

De acuerdo con las condiciones del CML y tomando en cuenta el nivel ceráunico y las Características de la protección, el método a utilizar será “El método del Ángulo de Protección”, el cual se deriva de los modelos Electro geométricos y una simplificación del método de la Esfera rodante. MÉTODO DEL ÁN GUL O DE PRO TECCIÓN

Este sistema se basa en el "EFECTO PUNTA". Es el típico pararrayos formado por una varilla metálica acabada en una o varias puntas. El método del ángulo de protección 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 de acuerdo a la tabla 6.4.1.

Tabl a 6.4.1 Ángulo de protección dependiendo de la altura relativa y el nivel de protección.

La zona protegida por un pararrayos con efecto “PUNTA” tiene forma cónica (ver figuras 6.1 y 6.2). En este tipo de pararrayos, el efecto de compensación 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 metálica en cuyo extremo se tiene una caja que contiene una pequeña cantidad de isótopo radiactivo, cuya finalidad es la de ionizar el aire a su alrededor mediante la liberación de partículas alfa; Este aire ionizado favorece generación del canal del rayo hasta tierra, obteniendo un área protegida de forma esférico- cilíndrica. “El Real Decreto 1428/86 del Ministerio de 

Industria y Energía prohíbe expresamente el uso de este tipo de pararrayos”.

Tipo ión-corona solar : este tipo de pararrayos incorpora un dispositivo eléctrico de generación de iones de forma permanente, constituyendo la mejor alternativa a los pararrayos atómicos. La energía necesaria para su funcionamiento suele proceder de fotocélulas. 


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Tipo piezoeléctrico: se basa en la capacidad de los materiales piezoeléctricos, de producir carga eléctrica 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 técnica denominada "Matriz de Dispersión", que consiste en un conjunto de puntas simples o ionizadoras cuya misión es la de ofrecer multitud de puntos de descarga entre tierra y nube, así modo la repartir esa descarga de neutralización en una región mayor de modo que se reduce la aparición de puntos con distintos potenciales que favorezcan la aparición del rayo.

Figu ra 6.1. Conos de protección de acuerdo al metodo ángulo de protección.

Figu ra 6.2. Modelo de acuerdo a la figu ra 4.1.2.2 . del capítulo 4 de la NFPA 780, 2004.

De acuerdo a las características de la protección, el nivel ceráunico, la zona de protección, el plano de planta de las trampas y las recomendaciones del cliente, se debe proteger toda el área de Trampas de envío y recibo en el Gasoducto de 48”Ø Cactus – San Fernando en el tramo de interconexión con la Estación de Compresión Altamira, con dimensiones de 101.92 m de largo por 27.319 m de ancho y que en total nos da un área de 2,784.35 m2; para lo cual el “Método de ángulo de Protección” es ideal para cumplir con los requisitos antes mencionados, además usaremos el sistema de protección integral de pararrayos Dipolo Corona colocando la cantidad de puntas necesarias para cubrir el área antes mencionada.


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Como se mencionó anteriormente, este método conjuga también la base del Modelo Electro Geométrico de la Norma NF C-17-102 de Julio de 1995, “Protección contra Descargas Atmosféricas (rayos) con pararrayos y dispositivo de avance de cebado” utilizando el siguiente paso. Para el cálculo del Radio de Protección se hace de acuerdo al modelo Electro geométrico y al procedimiento que se menciona en la Norma NF C-17-102 Apéndice A.3.2.

D

B



D

h

Rp

C

Fig . 3.- Modelo Electro geométrico

De acuerdo con el procedimiento de la norma y la figura 3, la fórmula para el cálculo del radio de protección queda de la siguiente manera:

Rp  h2 D  h   L 2 D   L Donde: Rp = h= L= D= I= D= 

Radio de protección del Pararrayos. Altura tomada desde la superficie horizontal a proteger hasta la punta del pararrayos, esta altura debe ser igual o mayor a 2 metros. Ganancia en el cebado del trazador ascendente (creación del efecto corona) dada en metros. Distancia de impacto (equilibrio iónico nube- tierra). Pico de corriente del primer arco de retorno, está dada en Kiloamperes. Esta dada en metros y se expresa para tres niveles en función de la severidad del rayo en kiloamperes.

Nivel I = 20 metros; para protección de inmuebles conteniendo sustancias peligrosas. Nivel II = 45 metros; para protección de inmuebles conteniendo concentración de personas y equipos eléctricos- electrónicos. Nivel III = 60 metros; para protección de personas en áreas abiertas.


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Radios de Protección.

R

Protección Extra Reforzada: NIVEL I

R

Protección Reforzada:

Pararrayos NIVEL II Inmueble a proteger

R

Protección Normal:

Radio de protección

NIVEL III 7.0

SELECCIÓN DEL SISTEMA PARARRAYOS Selección del pararrayos: De acuerdo con la figura 2 de la hoja 8 de 21, el valor promedio de la densidad de incidencia de descargas electroestáticas es de 8.50; con los resultados del Índice de Riesgos 0.0363 > 0.0004 (Nd > NC1), debemos instalar un sistema contra descargas atmosféricas; y de acuerdo a la Información que proporciona el Plano de Localización General, nos indica que se debe proteger un área total de 2,784.35 m2, que corresponde a la ubicación de las trampas de recibo y envío 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 protección de 21 metros, a una altura mínima de 7 metros; soporta una corriente de 40,000 Amperes, diseñado para conducir descargas atmosféricas periódicas, sin deterioro y sin necesidad de mantenimiento, se compone de:  

Anillo equipotencial. Disco Dieléctrico con excitador Toroidal.

Varilla de descarga.  Adaptador Concéntrico.  Zapata de conexión.  Se recomienda utilizar este sistema con un electrodo para tierra física calibre 1/0 AWG como mínimo, de la mima marca que el pararrayos. 


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FICHA TECNICA PARARRAYOS DIPOLO CORONA.

Funcio namiento y estándar de Fabricación de Pararrayos Dip olo Co rona.

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NIVEL DE PROTECCIÓN El área de protección teórica de un sistema pararrayos Dipolo Corona está dada por la influencia catódica (-) del electrodo generador enterrado y su interacción con potencial conducido desde el suelo a la punta, de acuerdo al siguiente esquema.

6 5 7 1

° 7 2

0 0 7 6 0 0 0 6

0 0 9 6 1

6 5 0 1

0 0 2 0 1

0 0 8 1

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10.0 CONCLUSIONES PARA EL SISTEMA DE CA PTACIÓN:

De acuerdo a la clasificación de áreas que menciona la ANSI/NFPA 78-1989, el área de Trampas de envío y recibo en el Gasoducto de 48”Ø Cactus – San Fernando en el tramo de interconexión con la Estación de Compresión Altamira, se engloba dentro de la Quinta Clase por lo que debe recibir un tratamiento completo para la selección de un sistema de pararrayos, incluyendo el cálculo del índice de riesgo. El índice de riesgo nos dice si un sistema de protección contra descargas atmosféricas debe ser instalado o no usando el criterio de si Nd > Nc se debe instalar, de lo contrarios este es opcional; el análisis final dio como resultado: 0.0363 > 0.0004 de acuerdo con NFPA-780 2004, se debe instalar un sistema de protección contra descargas atmosféricas. Por el nivel isoceráunico de la zona (8.50), la clasificación del área y la información proporcionada, se recomienda la colocación de un Sistema captador de Descargas Atmosféricas tipo Dipolo Corona, que de acuerdo a los datos técnicos del proveedor tiene un cono de protección con radio de 21 m a una altura de 7m., Y que cumple con IEC 61024-1. 1990-03 "Protección de estructuras contra los rayos. Parte 1: principios generales", cumple con la NFPA-780. Se deberá instalar en poste de concreto de 12 m de altura que de acuerdo a norma este se deberá incar en un foso de 1.80 m de profundidad, dando una altura de 10.20 m, que sumado al mástil y la punta Dipolo Corona nos da una altura total de 16.90 m; el proveedor nos dice que el cono de protección forma un ángulo de 72°, y como resultado tenemos un radio de protección de 51.926 m. Con este radio de protección, se realiza una proyección en el área a proteger y nos da como resultado la colocación de 2 puntas como mínimo, para garantizar la protección de toda el área de Trampas de envío y recibo en el Gasoducto de 48”Ø Cactus – San Fernando en el tramo de interconexión con la Estación de Compresión Altamira, y no entorpecer las maniobras de mantenimiento y las corridas de diablos en el punto de interconexión. PARA EL CONDUCTOR BAJA NTE:

La selección del cable de pararrayos debe cumplir con lo descrito en el Articulo 921-10 inciso c “par a pararrayos primarios” de la NOM-001-SEDE-2005, en cuanto a flexibilidad y resistencia mecánica del conductor, la correcta selección del calibre, la sujeción de este a la estructura y todos los accesorios adicionales y con todo lo descrito en el Capítulo 921 de la misma norma, referente a las características y selección del cable. También 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 mínimo, recomendado por el proveedor. PARA EL SISTEMA DE PUESTA A TIERRA:

Para el sistema de puesta a tierra o descarga del pararrayos, se usará 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 deberá interconectar al sistema general de tierras de las trampas de diablos, así como al


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sistema general de tierras de la Estación de Compresión Altamira, para formar un sistema equipotencial.

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