MEMORIA DE CALCULO
MONTAJE DE PARARRAYOS PARA EQUIPO
WG-101
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1.
OBJETIVO
A través de la presente memoria serán definidas las condiciones para proponer la instalación de
un sistema de protección contra descargas atmosféricas en el equipo WG-101. Se presentan el
diseño y especificaciones de los sistemas de protección que brinden la mayor seguridad tanto al
personal como al área operativa, utilizando para ello la tecnología apropiada, que cumpla con las
normas y especificaciones nacionales e internacionales.
2.
NORMAS, CÓDIGOS Y ESTÁNDARES UTILIZADOS
Las normas que a continuación se indican forma parte de esta memoria de cálculo. Cada
norma utilizada considero la última revisión.
•
NOM-001-SEDE-2005
Instalaciones Eléctricas
•
NFPA 780-2004
Standard for the installation of lightning protection
systems
•
API
American Petroleum Institute
•
NFPA-780A
Diseño de Sistemas de Protección contra Descargas
atmosféricas.
•
NMX-J-549-ANCE-2005
Sistemas de protección contra Tormentas Eléctricas
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3.
MEMORIA DE CALCULO
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.
2.
3.
4.
5.
6.
Inmuebles que concentren grandes multitudes de personas.
Inmuebles que prestan servicio continuo que no se puede interrumpir.
Lugares donde la incidencia de rayos es muy alta.
Inmuebles, estructuras o edificaciones de altura considerable.
Construcciones que contengan materiales explosivos o materiales inflamables.
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 la 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.
2.
3.
4.
5.
El medio ambiente en que se encuentra la construcción.
El tipo de construcción.
La ocupación de personas en la estructura.
El contenido en el interior de la estructura.
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:
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 (m2).
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. El valor correspondiente a la
provincia de Catamarca es de 4.
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
Figura L 4.2
Los valores de L, H y W se obtienen del layout del equipo siendo estas
- L = 50m
- W = 60m
- H = 4m
Esto nos da un Ae = 6100m2
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.
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
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correspondiente se considera como una sola área equivalente colectiva.
Se considera un coeficiente C1 = 0.5
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:
Donde
Los valores de C se obtienen 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.
Se obtiene un valor de Nc = 0.0002
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SELECCIÓN DEL NIVEL DE PROTECCIÓN.
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.
CUADRO L 6.4 Determinacion de los Requerimientos del Sistema de Proteccion
Datos de entrada
Resultado
Equivalente colectiva zona para estructura rectangular
6100 m2
Un rayo de frecuencia esperado golpee a la estructura
0.0122
Frecuencia de descargas tolerables a la estructura
0.0002
El análisis final dio como resultado: 0.0122 > 0.0002, que de acuerdo con NFPA-780 2004, se
debe instalar un sistema de protección contra descargas atmosféricas.
ZONA DE PROTECCIÓN.
Para la selección de la zona de protección de acuerdo con lo descrito anteriormente, el área 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 DE CALCULO.
De acuerdo con las condiciones del 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.
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.
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Tabla 6.4.1 Angulo de protección de Pararrayos tipo Bayoneta
Considerando los equipos y edificios en el área a proteger se define la zona como Nivel II; para
protección de inmuebles conteniendo concentración de personas y equipos eléctricos/electrónicos.
Se selecciona un sistema de pararrayos tipo PDC colocado a una altura de 23m por encima del nivel del
terreno. El radio de esfera ficticia correspondiente al nivel de Protección II equivale a 30 metros. La punta
seleccionada tiene un avance de cebado de 15us dando una distancia de cebado L = 15m dando un
radio de protección de 37.4m
El área de protección teórica del sistema estará dada por el potencial conducido desde el suelo o
superficie hasta la punta según el siguiente esquema. Como los equipos y edificios de la planta se
encuentran por debajo de los 5 metros y a menos de 33m de distancia de la torre, la zona queda
debidamente protegida.
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CALCULO DE PUESTA A TIERRA.
Para la instalación de la puesta a tierra se considera conductor de cobre electrolitico de 50mm2 y 3 jabalinas
de ¾“ x 3000mm. Cada jabalina tiene una resistividad de R = 16.3 ohm, al adoptar 3 jabalinas en paralelo
este factor se reduce en K = 0.42. Dando como resultado un valor de resistividad de Rk = 6.84 ohm.
Para maximizar el funcionamiento de las mismas se recomienda que esten distanciadas 3.5m entre si. El
factor de resistividad final será menor considerando el aporte del conductor de cobre.
4.
CONCLUSIONES
De acuerdo a la clasificación de áreas que menciona la ANSI/NFPA 78-1989, el área 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: 0.0122 > 0.0002 de acuerdo con NFPA-780 2004, se debe instalar un sistema de
protección contra descargas atmosféricas.
Por el nivel isoceráunico de la zona (4), la clasificación del área y la información proporcionada, se
recomienda la colocación de un Sistema captador de Descargas Atmosféricas tipo pdc, que cumple con IEC
61024-1. 1990-03 "Protección de estructuras contra los rayos. Parte 1: principios generales", y cumple con
la NFPA-780.
Se deberá instalar en una estructura rígida de 21 m de altura, que sumado al mástil y la punta pdc nos dé
una altura total de 23 m; el proveedor nos dice que el cono de protección forma un ángulo de 60°, y como
resultado tenemos un radio de protección de 32.4m para un área en altura de 5m por encima del nivel del
suelo.
La selección 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 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 de cobre electrolítico recocido
duro de 50mm2 – IRAM 2004.
Para el sistema de puesta a tierra se recomienda realizar un anillo del mismo tipo de conductor que el
conductor de bajada según la topología lo permita.
Para el sistema de descarga del pararrayos se recomienda utilizar un dispersor profundo tipo “Pata de Ganso”
según los típicos que se adjuntan.
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