UNIVERSIDAD SIMN BOLVAR

DECANATO DE ESTUDIOS PROFESIONALES COORDINACIN DE TECNOLOGA E INGENIERA ELCTRICA

PUESTA A TIERRA Y PROTECCIN CONTRA DESCARGAS ATMOSFRICAS EN REAS DE LA REFINERA GUARAGUAO

Por: Br. Hctor Jos Crdenas Pacheco

INFORME DE PASANTA Presentado ante la Ilustre Universidad Simn Bolvar

como requisito parcial para optar al ttulo de Ingeniero Electricista

Sartenejas, Junio de 2012

UNIVERSIDAD SIMN BOLVAR

DECANATO DE ESTUDIOS PROFESIONALES COORDINACIN DE TECNOLOGA E INGENIERA ELCTRICA

PUESTA A TIERRA Y PROTECCIN CONTRA DESCARGAS ATMOSFRICAS EN REAS DE LA REFINERA GUARAGUAO

Por: Br. Hctor Jos Crdenas Pacheco

Realizado con la asesora de: Tutor Acadmico: Prof. Juan Carlos Rodrguez

Tutor Industrial: Ing. Rogelio Orizondo

INFORME DE PASANTA Presentado ante la Ilustre Universidad Simn Bolvar

como requisito parcial para optar al ttulo de Ingeniero Electricista

Sartenejas, Junio de 2012

A mi padre, Enrique Crdenas

Y mi madre, Luca Pacheco.

AGRADECIMIENTOS

Agradezco a:

A mis padres Enrique Crdenas y Luca Pacheco por su apoyo

incondicional en cada etapa de mi vida, por su amor clido y su empeo en

hacerme mejor persona cada da, sin ellos trabajos como este solo hubiesen

sido un imposible sueo.

A mi hermano Javier Crdenas quien me ha acompaado con cario en

cada momento de mi vida, siendo pieza fundamental en mi formacin

personal.

Mi Tutor Industrial, el Ing. Rogelio Orizondo, quien no solo aport para

la realizacin del trabajo si no para mi formacin tanto profesional como

personal.

Mi Tutor Acadmico, Ing. Juan Carlos Rodrguez, por su importante

apoyo en la materializacin de este proyecto.

Mis profesores universitarios, entre los que destacan Julio Montenegro,

Elmer Sorrentino, Manuel lvarez, Jos Vivas, Pedro Paiva, Miguel

Martnez, ngel Prez, entre muchos otros, por haber contribuido en mi

formacin profesional. A la Coordinacin de Ingeniera Elctrica por el

apoyo brindado a lo largo de carrera.

Mis amigos Ricardo Orfei, Francisco Pereira, Limal Cadagn, Daniel

Uzctegui, Lino Pacheco, Gabriel Bentez, entre otros, que estuvieron

siempre presentes a lo largo de la carrera siendo ms que amigos, hermanos.

Por ltimo, y no menos importante, a Beatriz Salazar por haberme

acompaado, ayudado y brindado apoyo incondicional durante la realizacin

de este proyecto.

iv

PUESTA A TIERRA Y PROTECCIN CONTRA DESCARGAS ATMOSFRICAS EN REAS DE LA REFINERA GUARAGUAO

Por:

Br. Hctor Jos Crdenas Pacheco

RESUMEN

El presente trabajo, realizado en la empresa INELECTRA S.A.C.A., se enfoca en el diseo

del sistemas de puesta a tierra (SPAT) y proteccin contra descargas atmosfricas (SPCDA) en

las unidades de destilacin DA-1 y DA-2, ubicadas en la refinera de Guaraguao, Puerto la cruz,

estado Anzotegui, sus subestaciones y edificaciones asociadas. Para la realizacin de estos

diseos se cont con planos creados previamente en AutoCAD de las distintas reas y

edificaciones en cuestin. En lo que respecta al diseo de los SPCDA, se realizaron estudios de

riesgo para determinar la necesidad de proteccin en las distintas edificaciones y se procedi a

disponer los medios de proteccin, a travs de AutoCAD, utilizando el mtodo de la esfera

rodante, cumpliendo siempre con las distancias permitidas, todo esto basado en la norma NFPA

780 2011. Para el diseo del SPAT no se cont con las pruebas de resistividad en los distintos

sitios ni los datos de falla del sistema, por lo que se realiz un ejemplo, utilizando resistividades

de otras locaciones en la refinera y datos de la norma IEEE Std. 80 2000, en el programa

ETAP 7.5.0 para mostrar la metodologa de clculo de voltajes de toque y paso en una

subestacin. Luego se realizaron planos en AutoCAD que muestran mallas de tierras tentativas a

las edificaciones y ubicacin de las conexiones para la equipotencializacin de equipos, los

conductores para la malla y la equipotencializacin de equipos se previeron utilizando prcticas

internas de la empresa basadas en normas. Por ltimo se recomienda la realizacin de las pruebas

de resistividad para la verificacin de los calibres propuestos en los diseos y el levantamiento de

las mallas existentes para conocer con exactitud los puntos de conexin de las nuevas mallas.

v

NDICE GENERAL

INTRODUCCIN ................................................................................................................... 1

CAPTULO 1 .......................................................................................................................... 5

DESCRIPCIN DE LA EMPRESA ................................................................................... 5 1.1 Resumen de la Empresa [1] ....................................................................................... 5

CAPTULO 2 .......................................................................................................................... 7

DESCRIPCIN DEL REA DE DISEO ........................................................................ 7

CAPTULO 3 ........................................................................................................................ 10

MARCO TERICO DEL SPAT ....................................................................................... 10 3.1 Medicin de Resistividad ........................................................................................ 10

3.1.1 Mtodo Wenner ................................................................................................ 10

3.1.2 Mtodo Schlumberger-Palmer .......................................................................... 11

3.1.3 Interpretacin de resultados .............................................................................. 12

3.2 Funciones del sistema de puesta a tierra [5] ............................................................ 15 3.3 Elementos del sistema de puesta a tierra ................................................................. 15

3.3.1 Bajo tierra ......................................................................................................... 15

3.3.1.1 Conductores ............................................................................................... 15 3.3.1.2 Jabalinas [6] ............................................................................................... 16 3.3.1.3 Canalizaciones [8] ..................................................................................... 16 3.3.1.4 Conexiones exotrmicas [8] ...................................................................... 17 3.3.1.5 Anillo de puesta a tierra [6] ....................................................................... 18

3.3.2 Sobre tierra ....................................................................................................... 18

3.3.2.1 Equipotencializacin [6] ............................................................................ 18 3.3.2.2 Barras de distribucin de puesta a tierra (MGB) ....................................... 18 3.3.2.3 Conectores a compresin [8] ..................................................................... 19 3.3.2.4 Corrosin en los materiales de conexin [8] ............................................. 20 3.3.2.5 Manguito de proteccin (Stub-up) [7] ....................................................... 21

3.4 Diseo del SPAT de una subestacin [10] .............................................................. 22 3.5 Criterios de voltajes de toque y paso [10] ............................................................... 23

3.5.1 Aumento del potencial de tierra (GPR) [10] .................................................... 23

3.5.2 Tensin de paso [10] ......................................................................................... 23

3.5.3 Tensin de toque [10] ....................................................................................... 24

3.5.4 Tensin de toque metal a metal [10] ................................................................ 25

3.5.5 Tensin transferida [10] .................................................................................... 26

vi

3.6 Seleccin de la peor corriente de falla a tierra ......................................................... 26

3.6.1 Factor de apantallamiento para conductores con cubierta metlica o armadura ........................................................................................................................................... 27

3.6.2 Clculo de la mayor corriente que fluye por tierra ante una falla .................... 29

3.6.2.1 Cortocircuito monofsico a tierra dentro de la subestacin ...................... 30 3.6.2.2 Cortocircuito monofsico a tierra muy lejos de la subestacin ................. 32 3.6.2.3 Cortocircuito monofsico a tierra en las adyacencias de una subestacin 33

CAPTULO 4 ........................................................................................................................ 37

MARCO TERICO DEL SPCDA.................................................................................... 37 4.1 Generalidades de las descargas atmosfricas .......................................................... 37

4.1.1 Nivel Cerunico [11] ........................................................................................ 37

4.1.2 Densidad de rayos a tierra [rayos.km-2.yr-1] [11] .............................................. 37

4.2 Diseo del sistema de proteccin contra descargas atmosfricas [11] .................... 37

4.2.1 Mtodos de diseo ............................................................................................ 38

4.2.1.1 Esfera rodante [12] .................................................................................... 38 4.2.1.2 ngulo Fijo [12] ........................................................................................ 39

4.2.2 Terminales areos y soportes [12] .................................................................... 40

4.2.2.1 Ubicacin de los dispositivos de proteccin contra descargas [12] .......... 42

4.2.3 Conductor principal [12] .................................................................................. 43

4.2.3.1 Soportes de Conductores [12].................................................................... 44

4.2.4 Conductores bajantes [12] ................................................................................ 44

4.2.5 Anlisis de riesgo [12] ...................................................................................... 46

4.2.5.1 Anlisis de riesgo simplificado [12] .......................................................... 46 4.2.5.2 Anlisis de riesgo detallado [12] ............................................................... 49

CAPTULO 5 ........................................................................................................................ 51

DISEO DEL SISTEMA DE PUESTA A TIERRA ........................................................ 51

CAPTULO 6 ........................................................................................................................ 67

DISEO DEL SISTEMA DE PROTECCIN CONTRA DESCARGAS ATMOSFRICAS ..................................................................................................................... 67

CONCLUSIONES ................................................................................................................. 76

RECOMENDACIONES ....................................................................................................... 77

vii

REFERENCIAS BIBLIOGRFICAS .................................................................................. 78

ANEXO A ............................................................................................................................. 79

FLUJOGRAMA MEDICIN DE RESISTIVIDAD DEL SUELO ............................... 79

ANEXO B ............................................................................................................................. 81

FLUJOGRAMA DISEO DE SPAT. CRITERIO DE VOLTAJES DE TOQUE Y PASO ......................................................................................................................................... 81

ANEXO C ............................................................................................................................. 87

FLUJOGRAMA ANLISIS DE RIESGO DETALLADO ........................................... 87

ANEXO D ............................................................................................................................. 90

PLANOS DE DISEO DE SISTEMAS DE PUESTA A TIERRA ................................. 90 D.1.1 rea de destilacin DA-1 .................................................................................... 90 D.1.2 rea de destilacin DA-2 .................................................................................... 95

ANEXO E .............................................................................................................................. 98

PLANOS DE DISEO DE SISTEMA DE PROTECCIN CONTRA DESCARGAS ATMOSFRICAS ..................................................................................................................... 98

E.1.1 rea de destilacin DA-1 ..................................................................................... 98 E.1.2 rea de destilacin DA-2 ................................................................................... 101

ANEXO F ............................................................................................................................ 107

CAJA PARA PRUEBAS DE SUELO (SOIL BOX) ...................................................... 107

ANEXO G ........................................................................................................................... 108

CLCULOS DEL SISTEMA DE PUESTA A TIERRA CON ETAP 7.5.0 .................. 108

ANEXO H ........................................................................................................................... 114

MAPA ISOCERUNICO DE VENEZUELA ................................................................ 114

ANEXO I ............................................................................................................................. 115

ANLISIS DE RIESGO DETALLADO ........................................................................ 115

viii

NDICE DE TABLAS

Tabla 4-1 Determinacin del coeficiente de localizacin C1. [12] ..................................... 47

Tabla 4-2 Determinacin del coeficiente de construccin C2. [12] .................................... 48

Tabla 4-3 Determinacin del coeficiente de contenidos de la estructura C3. [12] ............. 48

Tabla 4-4 Determinacin del coeficiente de ocupacin de la estructura C4. [12] .............. 48

Tabla 4-5 Determinacin del coeficiente de consecuencia de descarga atmosfrica C5. [12]

....................................................................................................................................................... 49

Tabla 5-1 Medicin de resistividad - Refinera Guaraguao .................................................. 52

Tabla 5-2 Lista de materiales SRG-05. ................................................................................. 59

Tabla 5-3 Lista de materiales SRG-05 (Continuacin) ......................................................... 60

Tabla 5-4 Partidas de obras y cmputos mtricos SRG-05. .................................................. 60

Tabla 6-1 Anlisis de riesgo simplificado. ............................................................................ 68

Tabla 6-2 Espesores de equipamientos en plantas de destilacin. ........................................ 68

ix

NDICE DE FIGURAS

Figura 1 reas de destilacin DA-1 y DA-2. .......................................................................... 3

Figura 1.1 Organigrama de INELECTRA. [1] ........................................................................ 6

Figura 1.2 Proyectos Ejecutados y Talento Humanos, INELECTRA. [1] .............................. 6

Figura 2.1 Refinera de Guaraguao. ........................................................................................ 7

Figura 2.2 rea de destilacin DA-1. ...................................................................................... 8

Figura 2.3 rea de destilacin DA-2. ...................................................................................... 9

Figura 2.4 Subestacin prefabricada. ...................................................................................... 9

Figura 3.1 Mtodo Wenner de los cuatro electrodos. [2] ...................................................... 11

Figura 3.2 Mtodo Schlumberger-Palmer. [2] ...................................................................... 11

Figura 3.3 Suelo monoestrato. [4] ......................................................................................... 12

Figura 3.4 Suelo biestrato. [4] ............................................................................................... 13

Figura 3.5 Suelo multiestrato. [4] .......................................................................................... 13

Figura 3.6 Medicin de Resistividad. .................................................................................... 14

Figura 3.7 Canalizaciones para conductores de puesta a tierra. [8] ...................................... 17

Figura 3.8 Conexin exotrmica. A: Conductor pasante a jabalina. B: Conductor a

conductor. [9]................................................................................................................................. 17

Figura 3.9 Barra de distribucin de puesta a tierra. [9] ......................................................... 19

Figura 3.10 Conectores a compresin. [8] ............................................................................. 19

Figura 3.11 Oreja de conexin. [8] ........................................................................................ 20

Figura 3.12 Manguito de proteccin o Stub-up. [8] .............................................................. 21

Figura 3.13 Voltaje de paso. [10] .......................................................................................... 23

Figura 3.14 Voltaje de toque. [10] ......................................................................................... 24

Figura 3.15 Voltaje de toque metal a metal. [10] .................................................................. 25

Figura 3.16 Voltaje de transferencia. [10] ............................................................................. 26

Figura 3.17 Clculo del factor de pantalla para un conductor con cubierta metlica puesto a

tierra en ambos extremos. (a) Divisin de la corriente durante una falla monofsica a tierra. (b)

Circuito equivalente de la cubierta del cable. ................................................................................ 27

Figura 3.18 Clculo del factor de pantalla para tres conductores con cubierta metlica puesta

a tierra en ambos extremos. (a) Divisin de la corriente durante una falla monofsica a tierra. (b)

Circuito equivalente del conductor fallado y las cubiertas. ........................................................... 29

x

Figura 3.19 Corriente parcial fluyendo por tierra ante cortocircuito monofsico a tierra en

una subestacin. ............................................................................................................................. 30

Figura 3.20 Corriente parcial fluyendo por tierra ante cortocircuito monofsico a tierra muy

lejos de la subestacin. .................................................................................................................. 32

Figura 3.21 Distribucin de corriente que fluye por tierra. ................................................... 33

Figura 3.22 Corriente parcial fluyendo por tierra ante cortocircuito monofsico a tierra en las

adyacencias de la subestacin........................................................................................................ 33

Figura 3.23 Diseo de un sistema de puesta a tierra. Criterio de voltajes de toque y paso.

Parte 1. ........................................................................................................................................... 35

Figura 3.24 Diseo de un sistema de puesta a tierra. Criterio de voltajes de toque y paso.

Parte 2. ........................................................................................................................................... 36

Figura 4.1 Mtodo de la esfera rodante. Zona protegida. [12] .............................................. 39

Figura 4.2 Esfera rodante. [12] .............................................................................................. 39

Figura 4.3 ngulo fijo. A: Cable de guarda. B: Mstiles. [11] ............................................. 40

Figura 4.4 Instalacin terminal areo. [12] ........................................................................... 41

Figura 4.5 Instalacin terminal areo sobre soporte metlico. [12] ...................................... 42

Figura 4.6 Ubicacin de terminales areos en techo. [12] .................................................... 43

Figura 4.7 Ubicacin de conductores bajantes. [12] ............................................................. 45

Figura 4.8 Jabalina terminal para conductor bajante. [12] .................................................... 45

Figura 4.9 Clculo del rea de coleccin equivalente para estructuras complejas. [12] ....... 47

Figura 4.10Anlisis de riesgo detallado. ............................................................................... 50

Figura 5.1 Modelo biestratificado del suelo. ......................................................................... 52

Figura 5.2 SPAT Subestacin SS98-2C. ............................................................................... 53

Figura 5.3 Datos de entrada SPAT. ....................................................................................... 54

Figura 5.4 Resultado clculo SPAT. ..................................................................................... 54

Figura 5.5 Resultado clculo SPAT optimizado. .................................................................. 55

Figura 5.6 Disposicin de conductores y jabalinas, SPAT optimizado. ............................... 55

Figura 5.7 Leyenda SPAT edificaciones. .............................................................................. 57

Figura 5.8 SPAT edificio de instrumentacin y control SRG-05. ......................................... 58

Figura 5.9 Designacin de barras. Contabilizacin de metros de conductor. ....................... 59

Figura 5.10 Pata de ganso para PAT electrnica. .................................................................. 61

Figura 5.11 Leyenda SPAT plantas de destilacin. ............................................................... 62

xi

Figura 5.12 Planta de destilacin DA-2. Parte 1. .................................................................. 63

Figura 5.13 Planta de destilacin DA-2. Parte 2. .................................................................. 64

Figura 5.14 Planta de destilacin DA-2. Parte 3. .................................................................. 65

Figura 5.15 Detalles de instalacin del SPAT. (A) PAT de intercambiador de calor. (B) PAT

de motor de baja tensin. ............................................................................................................... 65

Figura 5.16 Detalles de instalacin del SPAT. (A) PAT de contenedor vertical. (B) PAT de

contenedor horizontal. ................................................................................................................... 66

Figura 5.17 Detalles de instalacin del SPAT. (A) PAT de escalera metlica. (B) PAT de

cerca perimetral. ............................................................................................................................ 66

Figura 6.1 Bombas localizadas debajo de Pipe Racks. ......................................................... 69

Figura 6.2 Leyenda de diseo de SPCDA. ............................................................................ 70

Figura 6.3 Vista de planta. Subestacin SS05 DA-2. ............................................................ 71

Figura 6.4 Vista de corte. Subestacin SS05 DA-2. .............................................................. 72

Figura 6.5 Vista de planta. Edificio de instrumentacin y control. SRG-04 DA-1. .............. 73

Figura 6.6 Vista de corte. Edificio de instrumentacin y control. SRG-04 DA-1 ................ 74

Figura 6.7 Detalles de instalacin del SPCDA. (A) Mstil de proteccin. (B) Punta Franklin

en techo de concreto. (C) Aislador de soporte en techo metlico. ................................................ 75

Figura D.1 SPAT Subestacin SS04. .................................................................................... 90

Figura D.2 SPAT Edificio de control e instrumentacin SRG-04. ....................................... 91

Figura D.3 SPAT Planta de destilacin DA-1. Parte norte. .................................................. 92

Figura D.4 SPAT Planta de destilacin DA-1. Parte sur. ...................................................... 93

Figura D.5 SPAT Planta de destilacin DA-1. Segundo y tercer piso. ................................. 94

Figura D.6 SPAT Cuarto de control de motores CCM-DA2. ............................................... 95

Figura D.7 SPAT Subestacin SS05. .................................................................................... 96

Figura D.8 Detalle de conexin barra interna Power House a SPAT. .................................. 97

Figura E.1 SPCDA Subestacin SS04. Vista de planta......................................................... 98

Figura E.2 SPCDA Subestacin SS04. Corte transversal. .................................................... 99

Figura E.3 SPCDA Subestacin SS04. Vista lateral. .......................................................... 100

Figura E.4 SPCDA Subestacin SS05. Vista de planta....................................................... 101

Figura E.5 SPCDA Subestacin SS05. Vista lateral. .......................................................... 102

Figura E.6 SPCDA Cuarto de control de motores CCM-DA2. Vista de planta. ................. 103

Figura E.7 SPCDA Cuarto de control de motores CCM-DA2. Vistas laterales. ................ 104

xii

Figura E.8 SPCDA Edificio de control e instrumentacin SRG-05. Vista de planta. ......... 105

Figura E.9 SPCDA Edificio de control e instrumentacin SRG-05. Vistas laterales. ........ 106

Figura F.1 Caja de Miller .................................................................................................... 107

xiii

LISTA DE SMBOLOS Y ABREVIATURAS

AWG American Wire Gauge CCM Centro de Control de Motores CEN Cdigo Elctrico Nacional IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers NFPA National Fire Protection Association PDVSA Petrleos de Venezuela, Sociedad Annima PVC Policloruro de Vinilo S/E Subestacin Elctrica SPAT Sistema de puesta a tierra SPCDA Sistema de proteccin contra descargas atmosfricas Resistividad de terreno en .m MGB Master Ground Bar GPR Ground Potencial Rise RG Resistencia de puesta a tierra en IG Mxima corriente en la malla Cs Factor de reduccin de la capa superficial s Resistividad del material superficial en .m ts Duracin en segundos de la corriente de falla d Distancia horizontal protegida (m ft) h1 Altura del techo superior (m ft) R Radio de la esfera rodante (m ft) h2 Altura del techo inferior (tope del objeto) (m ft) IEtot Corriente total fluyendo por tierra en el lugar del cortocircuito r Factor de apantallamiento del conductor o factor de reduccin ZP Impedancia equivalente guarda/cubierta/armadura a tierra de una cadena infinita ZPn Impedancia equivalente guarda/cubierta/armadura a tierra de una cadena finita ZEtot Impedancia a tierra equivalente de una subestacin ZSS Impedancia tierra a cable con retorno de tierra por unidad de longitud

ZCS Impedancia mutua entre cables de tierra y conductores de lnea con retorno de tierra comn por unidad de longitud

Profundidad de penetracin a tierra equivalente RS(ac) Resistencia en corriente alterna de la cubierta metlica 0 Constante magntica equivalente a 4 107 Vs/Am Frecuencia angular r Permeabilidad relativa del ncleo del conductor de tierra SCS Distancia media geomtrica entre el conductor de tierra y los conductores de lnea ros Radio externo de la cubierta metlica ris Radio interno de la cubierta metlica dT Distancia entre torres RT Resistencia de contacto con los pies de la torre (Footing resistance) RE Resistencia de la malla de tierra ZU Impedancia de entrada de la cubierta, pantalla o armadura de un cable

xiv

DF Distancia muy lejos de la subestacin R1 Resistencia terminal de la cubierta metlica 1 R2 Resistencia terminal de la cubierta metlica 2 I0 Corriente de secuencia cero circulando por el cortocircuito

1

INTRODUCCIN

Todo sistema elctrico que se encuentre bien diseado debe contar con un sistema de puesta

a tierra y, en caso de ser necesario, un sistema de proteccin contra descargas atmosfricas, que

garanticen el buen funcionamiento y proteccin de los equipos, as como la seguridad de las

personas que hacen uso de las instalaciones.

Actualmente la Refinera Guaraguao se encuentra en proceso de expansin, por lo que es

necesario disear el sistema elctrico para las nuevas edificaciones, incluyendo el sistema de

puesta a tierra y el sistema de proteccin contra descargas atmosfricas, este proyecto de

expansin, del cual se est haciendo cargo INELECTRA, es llamado Conversin Profunda.

El diseo del SPAT se realiz utilizando la normativa interna de INELECTRA, INEDON

903-HM150-E01-TEC-081-REV-0, la cual se basa en las siguientes normas:

IEEE Std. 80 2000 Guide for safety in AC substation grounding system

NFPA 70 2008 National Electric Code

PDVSA N-201 Obras Elctricas

Para el caso del SPCDA el diseo est basado nicamente en la norma NFPA 780 2011

Standard for the Installation of Lightning Protection Systems.

Objetivo General

Realizar el diseo del Sistema de puesta a tierra y la Proteccin contra descargas

atmosfricas en unidades de destilacin, S/E y edificios asociados, pertenecientes a la Refinera

Guaraguao en el estado Anzotegui.

Objetivos Especficos

1. Recopilar informacin sobre los Sistemas de Puesta a Tierra. Mtodos de clculo y

normas. Familiarizacin con procedimientos, herramientas y metodologa utilizadas

en el Departamento de Ingeniera Elctrica. Familiarizacin y bsqueda de

2

informacin sobre la planta en estudio y bsqueda de requerimientos de puesta a

tierra.

2. Diseo del Sistema de Puesta a Tierra. Clculo del SPAT con el software ETAP y

elaboracin de planos de planta y detalle de instalacin en AutoCAD. Elaboracin de

los cmputos mtricos, lista de materiales y partidas de obra.

3. Documentacin sobre Proteccin contra Descargas Atmosfricas. Mtodos de

clculo y normas. Familiarizacin y bsqueda de informacin sobre la planta en

estudio y bsqueda de requerimientos de Proteccin contra descargas atmosfricas.

4. Diseo del Sistema de Proteccin Contra Descargas Atmosfricas. Clculo del

SPCDA basados en la norma NFPA 780 y elaboracin de planos de planta y detalles

de instalacin con el uso de AutoCAD. Elaboracin de cmputos mtricos, lista de

materiales y partida de obras.

Alcance

El alcance de este proyecto consiste en el diseo del sistema de puesta a tierra y proteccin

contra descargas atmosfricas de las nuevas edificaciones y equipamientos que sern

incorporados en las reas de las unidades de destilacin, DA-1 y DA-2, mostradas en la figura 1.

El diseo comprende la ubicacin y seleccin de la cantidad de conductores a ser utilizados

en la malla de tierra, las salidas de tierra a los equipos, la tierra para equipos sensibles o

electrnicos, tipo y cantidad de conexiones a ser utilizadas, clculo del numero de puntas franklin

o mstiles a ser utilizados y la ubicacin de los mismos, as como los conductores bajantes del

SPCDA. Adems de esto, tambin comprende la realizacin de los planos para construccin en

AutoCAD, las listas de materiales, cmputos mtricos y partidas de obras.

Las reas para el diseo ya cuentan con una malla de puesta a tierra para los equipos

existentes, es por esto que la empresa sugiere que las mallas a ser diseadas para los nuevos

equipos sean conectadas a la existente en diversos puntos.

3

Figura 1 reas de destilacin DA-1 y DA-2.

Limitaciones

Este estudio est limitado por la indisponibilidad del equipo de medicin de resistividad de

suelo, por lo que no se tienen valores precisos de la resistividad del suelo en las zonas aledaas a

las instalaciones en estudio. Es por esto que no se presentan clculos de tensiones de toque y paso

en las S/E ni clculos de resistencia de tierra para cada una de las mallas en cuestin y tambin es

motivo por el cual todas las mallas diseadas no son ms que una propuesta y deben ser revisadas

una vez que se cuente con estos estudios.

Con la finalidad de demostrar la metodologa de clculo de tensiones de toque y paso,

mediante el mtodo IEEE Std. 80, se realiz un estudio de ejemplo, utilizando datos del suelo de

DA-1 DA-2

4

otras reas de la misma refinera, y datos del sistema elctrico y de la corriente de falla del

ANEXO B de sta norma, aplicado a una de las subestaciones en estudio.

Estructura del informe

A continuacin se enumeran los captulos que dan forma al documento presente:

Captulo 1: Descripcin de la empresa, en este se habla de la historia, estructura

organizacional, infraestructura, poltica de calidad y trayectoria de la empresa

INELECTRA S.A.C.A.

Captulo 2: rea de diseo, en este captulo se describen las zonas de inters dentro

de la Refinera de Guaraguao (rea y localizacin), tanto para el diseo del sistema

de puesta a tierra como para el de proteccin contra descargas atmosfricas.

Captulo 3: Marco terico del SPAT, en ste se presentarn los fundamentos tericos

necesarios para la realizacin y entendimiento de los estudios y diseos de los

sistemas de puesta a tierra desarrollados en el Capitulo 5 de este informe.

Captulo 4: Marco terico del SPCDA, ste tendr como finalidad explicar los

fundamentos tericos necesarios para la realizacin y entendimiento de los estudios

y diseos de los sistemas de proteccin contra descargas atmosfricas desarrollados

en el Capitulo 6 de este informe.

Captulo 5: Diseo del sistema de puesta a tierra, sta seccin tiene como finalidad

presentar el diseo de la malla de puesta a tierra, de las distintas edificaciones,

subestaciones y plantas de destilacin as como tambin el conexionado y

equipotencializacin de los equipos all presentes.

Captulo 6: Diseo del sistema de proteccin contra descargas atmosfricas, en este

captulo se expone el diseo del sistema de proteccin contra descargas atmosfricas

de las diversas edificaciones y subestaciones, utilizando el mtodo de la esfera

rodante. As como tambin la localizacin y seleccin de los elementos de

proteccin externos.

Finalmente se resean las conclusiones y recomendaciones surgidas producto de los estudios

realizados.

CAPTULO 1

DESCRIPCIN DE LA EMPRESA

1.1 Resumen de la Empresa [1]

INELECTRA S.A.C.A, fundada en Venezuela en el ao 1968, es una empresa de servicios

globales con reconocida reputacin en el desarrollo de proyectos de envergadura del sector

energtico, con slidos recursos humanos, tcnicos y financieros.

Su flexibilidad contractual y financiera le permite adquirir compromisos con diferentes

esquemas que van desde la modalidad Suma Global Llave en Mano, hasta horas-hombre

reembolsables, incluyendo acuerdos tipo maestro o marco para el suministro de servicios de

asistencia tcnica permanente.

Posee la capacidad de ejecucin necesaria para asumir proyectos complejos y en escenarios

variables, estableciendo las configuraciones de recursos y personal que mejor se adapten a cada

cliente.

Su infraestructura est integrada por la sede principal ubicada en la urbanizacin Santa

Paula de Caracas y los Centros de Ejecucin Caracas, en la urbanizacin La Urbina; Centro de

Ejecucin Occidente, en Maracaibo, estado Zulia; y Centro de Ejecucin Oriente, en Puerto La

Cruz, estado Anzotegui.

El talento del capital humano, la disponibilidad de herramientas de ejecucin de primera

lnea, los registros de seguridad clase mundial, su fortaleza financiera para asumir contratos suma

global y su profundo sentido de responsabilidad social convierten la relacin de trabajo con

INELECTRA en una experiencia altamente productiva.

6

Abarca toda la cadena de servicios desde los estudios de factibilidad, ingeniera, procura,

gerencia de construccin y construccin directa, hasta actividades de operacin y mantenimiento.

En la figura 1.1 muestra un organigrama de la empresa.

Figura 1.1 Organigrama de INELECTRA. [1]

En Venezuela, INELECTRA ha participado en ms de 20 plantas de generacin del sector

elctrico y la industria petrolera. Todos estos proyectos incluyen las 2 plantas termoelctricas en

operacin ms grandes del pas.

Se encuentra posicionada como una de las 50 empresas ms importante en el mundo en el

sector de energa e hidrocarburos y es una de las tres (3) ms importantes de Amrica Latina. En

la Figura 1.1 se presenta una tabla resumen de los proyectos ejecutados por la empresa, as como

el talento humano que la conforma.

Figura 1.2 Proyectos Ejecutados y Talento Humanos, INELECTRA. [1]

CAPTULO 2

DESCRIPCIN DEL REA DE DISEO

La Refinera de Guaraguao est localizada en Puerto La Cruz, estado Anzotegui, es all

donde el proyecto de conversin profunda es llevado a cabo y donde sern realizados los diseos

de los sistemas de puesta a tierra y proteccin contra descargas atmosfricas presentados en este

informe.

Los diseos realizados en esta pasanta estn limitados a las reas de destilacin, DA-1 y

DA-2, y a lo que stas contienen: equipamientos, subestaciones y edificaciones varias. Adems

de estas reas, tambin se suman dos terrenos pequeos en los cuales se localizarn las

subestaciones SS98 y SS05 que alimentarn ambas zonas de destilacin.

La figura 2.1 muestra la refinera de Guaraguao y los distintos puntos en los cuales estn

localizadas las reas de diseo.

Figura 2.1 Refinera de Guaraguao.

DA-1 DA-2

8

Dentro del rea de destilacin DA-1 se encuentran localizados los edificios de la subestacin

SS04 y del cuarto de control e instrumentacin SRG-04. sta subestacin, la cual consta de dos

niveles de transformacin: 34,5kV a 4,16kV y 4,16kV a 480V, se encargar de alimentar el

edificio SRG-04 y los equipamientos nuevos que sern aadidos a esta zona de destilacin. En la

figura 2.2 se muestra el rea de destilacin DA-1 y la ubicacin de la S/E y el cuarto de control e

instrumentacin.

Figura 2.2 rea de destilacin DA-1.

En cuanto al rea de destilacin DA-2, sta comprende equipamientos, un cuarto de control

de motores CCM-DA2, el cual existe actualmente y ser ampliado para mayor capacidad, y un

cuarto de control e instrumentacin SRG-05. La figura 2.3 muestra esta rea con sus respectivas

edificaciones asociadas.

SS04

SRG-04

9

En cuanto a las subestaciones SS98 y SS05, ambas sern del tipo subestacin prefabricada o

power house (Figura 2.4), la primera estar localizada a casi un kilometro al norte del rea de

destilacin DA-1 y trabajar a un nivel de tensin de 34,5kV, mientras que la segunda se

encontrar justo al noreste de DA-2 y manejara dos niveles de tensin: 34,5kV a 4,16kV y

4,16kV a 480V, tal como la subestacin asociada a DA-1.

Figura 2.3 rea de destilacin DA-2.

Figura 2.4 Subestacin prefabricada.

CCM-DA2

SRG-05

CAPTULO 3

MARCO TERICO DEL SPAT

3.1 Medicin de Resistividad

El mtodo recomendado en la prctica de la medicin de resistividad de tierra es el mtodo

de los cuatro electrodos. Segn sea el espaciamiento entre electrodos utilizado, se clasifican en:

3.1.1 Mtodo Wenner

Consta de cuatro electrodos enterrados en el suelo dispuestos en lnea, los cuales se separan

una distancia a entre electrodos adyacentes, y se entierran a una distancia b tpicamente

igual, en la prctica, a 0.1 veces a (Figura 3.1), segn la norma IEEE Std 81-1983. Razn por la

cual la ecuacin 3.1.

= 41 + 2 + 4 + 3.1

Se vuelve la ecuacin 3.2. Donde R es la resistencia medida.

= 2 3.2

Asumiendo b = 0, la cual arroja la resistividad promedio del suelo a la profundidad a.

11

Figura 3.1 Mtodo Wenner de los cuatro electrodos. [2]

3.1.2 Mtodo Schlumberger-Palmer

Es una variacin del mtodo Wenner, en la cual se mantiene constante la distancia entre los

electrodos de potencial (electrodos internos), y se vara la distancia de los electrodos de corriente

o electrodos externos, con respecto a los de potencial (Figura 3.2). Luego, al ser pequea la

distancia a la cual se entierran los electrodos, con respecto a las separaciones entre internos y

externos, d y c, la resistividad medida puede ser calculada mediante la ecuacin 3.3, proveniente

de la IEEE Std 81-1983.

= ( + ) 3.3

Figura 3.2 Mtodo Schlumberger-Palmer. [2]

12

Ambos mtodos se realizan variando la direccin de los sondeos con el fin de minimizar los

efectos de la estratificacin horizontal. Tpicamente se realizan sondeos perpendiculares entre s.

En el ANEXO F se habla sobre la caja de pruebas de suelo (Soil Box), la cual se utiliza para

obtener resultados precisos de la resistividad del terreno cuando ste presenta un alto contenido

de humedad. De todos los factores que afectan la resistividad (temperatura, humedad,

compactacin, etc.) se hace hincapi en la humedad por ser l que comnmente afecta las

mediciones (lluvias, ros, etc.)

3.1.3 Interpretacin de resultados

En el caso del mtodo Wenner, la interpretacin de los resultados es mucho ms simple que

para el mtodo Schlumberger-Palmer, basta con graficar la resistividad aparente medida contra el

espaciamiento entre electrodos para obtener una grfica que arroje el comportamiento equivalente

del suelo.

Las grficas expuestas a continuacin (Figuras 3.3 a 3.5) muestran la variacin de la

resistividad aparente con respecto al espaciamiento interelectrdico para distintos tipos de suelo.

La figura 3.6 muestra un flujograma con los pasos necesarios para la realizacin de una

buena medicin de resistividad basada en la norma ASTM G57 [3] y dos formas de aproximar el

modelo del suelo, monoestratificado y biestratificado.

Figura 3.3 Suelo monoestrato. [4]

13

El ANEXO A de este informe muestra ms detalles y consideraciones que se deben tomar

en cuenta para realizar una correcta medicin e interpretacin de resultados.

Figura 3.4 Suelo biestrato. [4]

Figura 3.5 Suelo multiestrato. [4]

14

Figura 3.6 Medicin de Resistividad.

15

3.2 Funciones del sistema de puesta a tierra [5]

Un sistema de puesta a tierra se implementa por los siguientes propsitos:

Controlar las tensiones de toque y paso dentro de los lmites previsibles.

Proporcionar una va de baja impedancia para garantizar la rpida operacin de los

dispositivos de proteccin ante la ocurrencia de fallas.

Conducir a tierra las corrientes que provienen de rayos, tratando de minimizar las

tensiones que se producen en los equipos afectados, evitando as daos colaterales.

Servir de referencia de potencial para equipos sensibles de control, cmputo y/o

monitoreo.

El control de la tensin tambin permite la reduccin del riesgo de descarga elctrica

a las personas que puedan entrar en contacto con los conductores activos.

3.3 Elementos del sistema de puesta a tierra

El sistema de puesta a tierra est formado por diversos componentes los cuales deben ser

seleccionados de acuerdo a las necesidades del mismo, ya sea elctricas, trmicas o mecnicas.

Estos conforman dos grandes ncleos: bajo tierra y sobre tierra, dependiendo de la ubicacin de

los elementos.

3.3.1 Bajo tierra

Son todos los elementos (conductores, jabalinas, tuberas metlicas, etc.), que se entierran o

se encuentran enterrados en el suelo, que unidos entre s forman un arreglo electrdico con el cual

se llega a una resistencia de puesta a tierra objetivo.

3.3.1.1 Conductores

El conductor del electrodo de tierra ser de cobre, aluminio o aluminio revestido de cobre.

El material elegido deber presentar una alta vida til ante condiciones de corrosin que se

puedan producir en la instalacin o estar adecuadamente protegido contra la corrosin. El

conductor ser slido o trenzado, aislado con cubierta o desnudo. [6]

16

La profundidad mnima de instalacin de los conductores de tierra ser de 450 mm (18

pulg.). La profundidad en patios de transformadores o estaciones cuya superficie est cubierta

con piedra, ser de 300 mm (12 pulg.) debajo de la piedra, como mnimo. [7]

El calibre mnimo del conductor para la malla ser 2/0 AWG (33,6 mm2). El calibre del

conductor podr aumentarse por encima del mnimo para [7]:

a. Garantizar una resistencia mecnica adecuada.

b. Soportar los esfuerzos trmicos causados por corrientes de falla a tierra.

Se escoge el calibre mnimo 2/0 AWG por razones mecnicas, ya que elctricamente pueden

usarse conductores hasta calibre 2 AWG. [7]

3.3.1.2 Jabalinas [6]

Los electrodos de barras de hierro o acero tendrn como mnimo un dimetro de 16 mm (5/8

pulg.). Las barras de acero inoxidable inferiores a 16 mm (518 pulg.) de dimetro, las de metales

no ferrosos o sus equivalentes estarn aprobadas y sern de dimetro no inferior a 13 mm (pulg.).

El electrodo se instalar de modo tal que se tengan como mnimo 2,44 m (8 pies) de su

longitud en contacto con el terreno. Estarn enterrados a una profundidad no menor de 2.44 m (8

pies), exceptuando que se encuentre roca, en cuyo caso el electrodo ser enterrado en forma

oblicua no excediendo los 45 grados, se permitir instalar el electrodo en una zanja a una

profundidad mnima de 750 mm (30 pulg.). La parte superior del electrodo estar enterrada al ras

y los accesorios del conductor del electrodo estarn protegidos contra daos fsicos.

3.3.1.3 Canalizaciones [8]

Los conductores que conforman el sistema de electrodos de Puesta a Tierra son instalados en

trincheras canal de arena (Figura 3.8), stas se debern llenar con arena de ro, lavada y cernida

(tamizada). Cuando los conductores de puesta a tierra subterrneos pasan debajo de una carretera

o vialidad podrn ser instalados en una bancada cuya profundidad es igual al ancho de la va,

todo esto con la finalidad de brindarle proteccin mecnica al conductor.

17

Figura 3.7 Canalizaciones para conductores de puesta a tierra. [8]

3.3.1.4 Conexiones exotrmicas [8]

Las conexiones exotrmicas (Figura 3.9) se usarn en todas las conexiones para propsitos

de puesta a tierra que estn en contacto directo con el terreno. Asimismo, se usarn conexiones

exotrmicas por encima del terreno cuando se requiera garantizar una conexin ms resistente y

permanente.

(A)

(B)

Figura 3.8 Conexin exotrmica. A: Conductor pasante a jabalina. B: Conductor a conductor. [9]

18

3.3.1.5 Anillo de puesta a tierra [6]

Consistir en un conductor de cobre desnudo no menor que 2 AWG y con una longitud

mnima de 6,0 m (20 pies), en contacto directo con el terreno, que circunscriba al inmueble o

estructura. El anillo de tierra se instalar a una profundidad no menor que 750 mm (30 pulg.).

3.3.2 Sobre tierra

Son todas aquellas conexiones intencionales que se realizan entre elementos conductores

que puedan adquirir tensin (carcasas de equipos, vigas estructurales, objetos metlicos, etc.) y la

malla de puesta a tierra con el fin de conducir corrientes de falla y equipotencializar dichos

elementos.

3.3.2.1 Equipotencializacin [6]

Es la unin permanente de partes metlicas para formar un trayecto elctricamente

conductivo que asegure la continuidad elctrica y la capacidad para conducir con seguridad

cualquier corriente de falla que pudiera circular por ellas.

Para garantizar la equipotencializacin, las canalizaciones metlicas, bandejas de cables,

armaduras y cubiertas metlicas de cables, gabinetes, armaduras y carcasas de equipos,

accesorios y otras partes metlicas que no transporten corriente y que sirven como conductor de

puesta a tierra de equipos, se interconectarn de manera efectiva, independientemente de que

contengan o no conductores de puesta a tierra suplementarios. En todas las roscas, puntas y

superficies de contacto, toda pintura, esmalte o revestimiento similar que no sea conductivo se

deber ser retirado.

3.3.2.2 Barras de distribucin de puesta a tierra (MGB)

Son las barras encargadas de centralizar el sistema de puesta a tierra de todos los equipos y

accesorios que requieran de conexin a tierra para su proteccin y adecuado funcionamiento. [9]

Es una lmina de poco espesor, generalmente de cobre, que puede poseer tantos huecos

como conexiones sean necesarias, la cual se adosa a la estructura (pared, viga, etc.) y puede estar

19

aislada elctricamente o no de la misma. La figura 3.9 muestra un ejemplo de MGB (Master

Ground Bar).

Figura 3.9 Barra de distribucin de puesta a tierra. [9]

3.3.2.3 Conectores a compresin [8]

Los equipos a los que se le instale una puesta a tierra y adems se requiera por razones de

operatividad y/o mantenimiento su montaje y desmontaje, usarn conectores a compresin

(Figura 3.10) para tal fin. Los equipos, elctricos o no, que generan vibraciones mecnicas

durante su funcionamiento normal estn sometidos a las mismas (Ej. los motores y

generadores), usarn conectores a compresin de dos (2) huecos como mnimo para su conexin

de puesta a tierra, esto con el fin de garantizar la seguridad en la conexin.

Figura 3.10 Conectores a compresin. [8]

20

3.3.2.4 Corrosin en los materiales de conexin [8]

Los materiales de los que estn compuestos los tornillos, tuercas, arandelas y dems

accesorios debern seleccionarse para evitar par galvnico. En lneas generales los materiales

debern ser seleccionados para evitar la corrosin ya que podra aumentar la resistencia de

contacto en la conexin de puesta a tierra. Cuando los materiales involucrados sean de un (1)

metal caracterstico, el conector a emplear deber ser del mismo material. Por ejemplo, la

conexin entre dos conductores de cobre se debe hacer con un conector de cobre. El mismo caso

aplicara si los conductores fueran de aluminio. Cuando los materiales involucrados sean

diferentes, se deber elegir accesorios de conexin que reduzcan el par galvnico y/o sean

resistentes a la corrosin. Una conexin tpica en puesta a tierra de diferentes materiales la

encontramos entre el Cobre y el Acero, para este tipo de conexiones el material de los accesorios

es generalmente de bronce-silicio, por lo que frecuentemente podemos encontrar especificaciones

de tornillos, tuercas y arandelas de cobre-silicio.

Un error comn es usar accesorios de puesta a tierra de acero inoxidable en equipos de acero

al carbono, esta prctica genera corrosin localizada en el equipo de acero al carbono.

El uso de galvanizados sobre las conexiones para evitar la corrosin es una buena prctica.

Las orejas de conexin (Figura 3.11) son usadas para evitar conexiones que involucren

perforar o soldar la carcasa de los equipos, pues de no hacerse correctamente podra afectar la

integridad del equipo y/o afectar la garanta del mismo, por ello se debe solicitar este

requerimiento al fabricante.

Figura 3.11 Oreja de conexin. [8]

21

3.3.2.5 Manguito de proteccin (Stub-up) [7]

Los conductores de conexin a tierra se protegern, en los puntos de salida a la superficie,

tal como se describe a continuacin:

a) Todos los conductores, exceptuando los usados para proteccin contra descargas

atmosfricas y conexin a tierra de pararrayos, se protegern mediante tubera

metlica rgida en sus puntos de salida a la superficie. El uso de manguitos rgidos,

no metlicos, de paredes gruesas, es una alternativa aceptable para la proteccin de

cables de conexin a tierra. Los conductores para proteccin contra descargas

atmosfricas y de conexin a tierra para pararrayos se protegern mediante

manguitos no metlicos.

b) Los manguitos se extendern, como mnimo, 150 mm (6 pulg.) y 250 mm (10 pulg.)

por debajo y por encima de la superficie del terreno, respectivamente.

c) Los manguitos metlicos sern embutidos en concreto de 75 mm (3 pulg.) de

espesor.

d) El recubrimiento de concreto saldr 150 mm (6 pulg.) sobre la superficie del terreno.

e) Los manguitos nometlicos sern tubos rgidos, de paredes gruesas, de PVC o

polietileno de alta densidad (Figura 3.12).

f) El uso de manguitos no es necesario dentro de patios de transformadores o debajo de

subestaciones elevadas.

Figura 3.12 Manguito de proteccin o Stub-up. [8]

22

3.4 Diseo del SPAT de una subestacin [10]

Un sistema de puesta a tierra debe ser instalado de tal manera que limite los efectos del

gradiente del potencial de tierra a niveles de voltaje y corriente tales que no pongan en riesgo la

seguridad de las personas o equipo durante condiciones normales de operacin o de falla. El

sistema tambin debera asegurar la continuidad en el servicio.

El anlisis conceptual de un sistema mallado usualmente inicia con la inspeccin del plano

de diseo de la subestacin que muestra todos los grandes equipos y estructuras. Para establecer

las ideas y conceptos bsicos, los siguientes puntos pueden servir de gua para comenzar un

diseo tpico de malla de tierra:

1. Un lazo de conductor continuo debe rodear el permetro y encerrar tanta rea como

sea posible. Esta medida ayuda a evitar altas concentraciones de corriente y, por

ende, altos gradientes tanto en el rea de la malla como en las cercanas de las

terminaciones de cables proyectados. Encerrar mas rea tambin reduce la resistencia

de la malla de tierra.

2. Dentro del lazo, los conductores son tpicamente dispuestos en lneas paralelas y,

donde es posible, a lo largo de la estructura o columnas de equipos con el fin de

proveer conexiones cortas a tierra.

3. Un sistema de malla tpico para una subestacin puede incluir conductores desnudos

de cobre 4/0 AWG enterrados 0.3-0.5 m (12-18 in) por debajo del nivel del suelo,

espaciados 3-7 m (10-20 ft) entre ellos, de forma cuadriculada. En las

interconexiones, los conductores sern seguramente unidos entre s. Las jabalinas de

tierra podrn estar en las esquinas de la malla y en los puntos de unin a lo largo del

permetro. Estas tambin podrn ser instaladas en grandes equipamientos. En suelos

multiestratos o de alta resistividad, puede ser til utilizar jabalinas ms largas o

jabalinas instaladas en puntos adicionales.

4. La relacin de los lados de las mallas de la red usualmente va desde 1:1 a 1:3, a

menos que un anlisis preciso (ayudado por computadora) garantice valores ms

extremos. Frecuentemente las interconexiones tienen un efecto relativamente

pequeo en la disminucin de la resistencia de la red. Su rol principal es asegurar el

control adecuado de los potenciales de la superficie. Las interconexiones son tiles

23

tambin para asegurar mltiples caminos para la corriente de falla, minimizando la

cada de tensin en la red como tal, y proveyendo una cierta medida de redundancia

en caso de que un conductor falle.

3.5 Criterios de voltajes de toque y paso [10]

La seguridad de una persona depende de la prevencin de la cantidad crtica de corriente

absorbida antes de que se despeje una falla y el sistema sea desenergizado. El voltaje mximo de

conduccin de cualquier circuito accidental no debe exceder los lmites definidos, por la norma

IEEE Std. 80, estos se desarrollan en los puntos 3.5.1 al 3.5.5.

3.5.1 Aumento del potencial de tierra (GPR) [10]

Es el mximo potencial elctrico que una red de puesta a tierra de una subestacin puede

alcanzar en relacin a un punto distante que se asume estar al mismo potencial que la tierra

remota. Este voltaje es igual a la mxima corriente de red por la resistencia de la red, como indica

la ecuacin 3.5.

= 3.4 3.5.2 Tensin de paso [10]

Es la diferencia en el potencial de la superficie experimentado por una persona puenteando

una distancia de 1 m con sus pies sin estar en contacto con objetos puestos a tierra. Un ejemplo

de esto se muestra en la figura 3.13.

Figura 3.13 Voltaje de paso. [10]

24

Las ecuaciones3.5 y 3.6 muestran el clculo necesario para obtener el voltaje lmite de paso

para individuos de 50 kg y 70 kg, respectivamente.

= (1000 + 6! ) 0,116#$ 3.5

% = (1000 + 6! ) 0,157#$ 3.6

3.5.3 Tensin de toque [10]

Es la diferencia de potencial entre el aumento del potencial de tierra (GPR) y el potencial de

la superficie en el punto en el cual la persona se encuentra de pie mientras que al mismo tiempo

tiene una mano en contacto con una estructura conectada a tierra. La figura 3.14 muestra un

ejemplo de esto.

Figura 3.14 Voltaje de toque. [10]

Las ecuaciones 3.7 y 3.8 muestran el clculo necesario para obtener el voltaje lmite de

toque para individuos de 50 kg y 70 kg, respectivamente.

()*+ = (1000 + 1,5! ) 0,116#$ 3.7

25

()*+% = (1000 + 1,5! ) 0,157#$ 3.8

3.5.4 Tensin de toque metal a metal [10]

Es la diferencia de potencial entre objetos metlicos o estructuras en el sitio de la

subestacin que pueden ser puenteados por contacto directo mano-a-mano o mano-a-pie. La

figura 3.15 ilustra stas situaciones.

Figura 3.15 Voltaje de toque metal a metal. [10]

Las ecuaciones del voltaje lmite de toque metal a metal se derivan de las ecuaciones del

voltaje de toque, teniendo = 0, lo cual hace que la resistencia total del circuito accidental sea igual a la resistencia del cuerpo del individuo, convirtindose as en las ecuaciones 3.9 y 3.10.

,,-()*+ = 116#$ 3.9

3.5.5 Tensin transferida [10]

Es un caso especial de voltaje de toque en el cual el voltaje es transferido hacia dentro o

fuera de la subestacin desde o hacia un punto remoto externo al sitio de la subestacin.

situacin es ilustrada en la figura 3.16.

Figura

3.6 Seleccin de la peor corriente de falla a tierra

Para elegir la peor corriente de

cuenta dos aspectos, el tipo de falla y el lugar de ocurrencia.

Para el tipo de falla se deben analizar las impedancias de secuencia equivalentes. Segn la

IEEE Std 80 la peor corriente de falla ser monof

que Z2 al cuadrado, en el punto de falla

cuadrado de Z2, la peor corriente de falla ser la bifsica a tierra. Debido a que Z

a Z1 en muchas ocasiones, solo basta con

para determinar el tipo de falla.

,,-()*+% = 157#$

[10]

un caso especial de voltaje de toque en el cual el voltaje es transferido hacia dentro o

fuera de la subestacin desde o hacia un punto remoto externo al sitio de la subestacin.

situacin es ilustrada en la figura 3.16.

Figura 3.16 Voltaje de transferencia. [10]

Seleccin de la peor corriente de falla a tierra

Para elegir la peor corriente de que fluye por tierra ante una falla es necesario tomar en

cuenta dos aspectos, el tipo de falla y el lugar de ocurrencia.

Para el tipo de falla se deben analizar las impedancias de secuencia equivalentes. Segn la

IEEE Std 80 la peor corriente de falla ser monofsica a tierra si la impedan

, en el punto de falla. Por el contrario, si esta impedancia

, la peor corriente de falla ser la bifsica a tierra. Debido a que Z

en muchas ocasiones, solo basta con que Z0 sea mayor o menor que Z

para determinar el tipo de falla.

26

3.10

un caso especial de voltaje de toque en el cual el voltaje es transferido hacia dentro o

fuera de la subestacin desde o hacia un punto remoto externo al sitio de la subestacin. Esta

es necesario tomar en

Para el tipo de falla se deben analizar las impedancias de secuencia equivalentes. Segn la

sica a tierra si la impedancia Z1.Z0 es mayor

. Por el contrario, si esta impedancia es menor que el

, la peor corriente de falla ser la bifsica a tierra. Debido a que Z2 se asume igual

sea mayor o menor que Z2, respectivamente,

27

El peor lugar en el que se produce una falla es un poco ms complicado de saber, ya que este

depende del nivel de tensin al que se produzca la falla, si es fuera o dentro de la subestacin, y

de las conexiones de los equipos con respecto a la subestacin y a la malla de tierra.

3.6.1 Factor de apantallamiento para conductores con cubierta metlica o armadura

La corriente que fluye por un conductor o el flujo desbalanceado de corrientes fluyendo por

tres conductores induce tensin en la cubierta metlica o armadura del cable. Bajo una condicin

de falla a tierra, y si la cubierta o armadura se encuentra puesta a tierra en ambos extremos del

conductor, circular una corriente en el lazo creado entre cubierta/armadura y tierra. Esta

corriente es parte de la corriente de falla a tierra y el remanente es la corriente de retorno de tierra

que retorna por tierra hasta la fuente. El factor de pantalla de un cable depende de la

configuracin de los conductores, el mtodo de puesta a tierra, el material de la cubierta o

armadura, la resistencia de tierra y la resistividad del suelo.

La figura 3.17 muestra un cable monofsico con cubierta metlica pero sin armadura de una

longitud L en kilmetros. Este se encuentra alimentado por una fuente en un extremo y sujeto a

una falla monofsica a tierra en el otro.

Figura 3.17 Clculo del factor de pantalla para un conductor con cubierta metlica puesto a tierra

en ambos extremos. (a) Divisin de la corriente durante una falla monofsica a tierra. (b) Circuito

equivalente de la cubierta del cable.

28

Resolviendo el circuito equivalente mostrado en la figura 3.17b se obtiene el factor de

pantalla, dado por la ecuacin 3.11.

. = /(3 = 1 123133 3.11

Las impedancias propias de la cubierta metlica y mutuas entre el ncleo del cable y la

cubierta se obtienen de las formulas 3.12 y 3.13, respectivamente, donde v es el nmero de

conductores de tierra. El factor de profundidad de penetracin en la tierra equivalente, delta, se

calcula usando la ecuacin 3.14.

133 3(5*) + 678 + 96 72 :7;4< + ln ?.(@ 3.12

123 678 + 96 72 ln ?A23 3.13

? = 1,85B67 3.14

Este factor de apantallamiento del cable se puede aproximar de la manera mostrada en la

ecuacin 3.15, siendo RS(ac) la resistencia en corriente alterna de la cubierta metlica.

. = /(3 3(5*)133 3.15

Para el caso general de un arreglo trifsico de conductores con cubiertas metlicas, mostrado

en la figura 3.18, el factor de apantallamiento del cable se calcula mediante la ecuacin 3.16,

donde d es la distancia entre los centros de los cables de fase.

29

Figura 3.18 Clculo del factor de pantalla para tres conductores con cubierta metlica puesta a

tierra en ambos extremos. (a) Divisin de la corriente durante una falla monofsica a tierra. (b)

Circuito equivalente del conductor fallado y las cubiertas.

. = /(3 3(5*)

3(5*) + 310-EF + 9410-EF ln : ?G(.H + .()/2@ + 3 (J + )K 3.16

3.6.2 Clculo de la mayor corriente que fluye por tierra ante una falla

En los puntos 3.6.2.1 a 3.6.2.3 se muestran las tres situaciones de falla monofsica a tierra

que pueden generar corrientes a travs de la tierra y los conductores puestos a tierra (por ejemplo

cables de guarda, cubiertas conductivas y armaduras de cables). Este tipo de cortocircuito en

sistemas de alto voltaje slidamente puestos a tierra son las fallas desbalanceadas ms frecuentes.

Y, en el caso en que la impedancia de secuencia cero es mayor que la de secuencia positiva,

generan la mayor corriente de cortocircuito a tierra.

La mayor corriente que fluir por tierra ante una falla monofsica ser entonces la mostrada

en la ecuacin 3.17.

30

LMNM = . 3 3.17

Para el caso en que la impedancia de secuencia cero es menor que la de secuencia positiva,

se debe considerar el caso de falla bifsica a tierra, ya que podra generar una mayor corriente por

tierra.

Es importante recalcar que aunque los siguientes ejemplos estn realizados con torres que

tienen cables de guarda, la misma metodologa aplica en el caso de conductores con cubierta

metlica o armadura.

3.6.2.1 Cortocircuito monofsico a tierra dentro de la subestacin

Para este caso, mostrado en la figura 3.19, la corriente que fluye por tierra, obtenida

partiendo de la ecuacin 3.17, ser la mostrada en la frmula 3.18.

Figura 3.19 Corriente parcial fluyendo por tierra ante cortocircuito monofsico a tierra en una

subestacin.

31

LMNM = .Q 3Q + .2 32 3.18

Luego, para el clculo del potencial de tierra en la subestacin (ecuacin 3.21), es necesario

calcular la impedancia a tierra de la subestacin mediante la ecuacin 3.19, para la cual se debe

calcular la impedancia de entrada de una cadena infinita usando la frmula 3.20.

1/( = 11/ + 11S + 11T 3.19

1S = 0,5133U +#(0,5133U) + 133UU 3.20

V/W = 1/W(/( 3.21

Para los dos escenarios de falla siguientes, es necesario tomar en cuenta la distancia DF

mostrada en la ecuacin 3.22, para saber en cul de ellos nos encontramos.

XY = 3#U UZ#133U[ 3.22

Si el cortocircuito se produce a una distancia mayor a esta, nos encontramos entonces en el

escenario muy lejos de la subestacin. De ser menor, el escenario sera el de falla en las

adyacencias de la subestacin.

32

3.6.2.2 Cortocircuito monofsico a tierra muy lejos de la subestacin

Cuando el cortocircuito a tierra ocurre en un lugar remoto a la subestacin, tal como se

muestra en la figura 3.20, la corriente que fluye por tierra y el equivalente de la impedancia a

tierra de la torre cambia de acuerdo a las ecuaciones 3.23 y 3.24, respectivamente.

Figura 3.20 Corriente parcial fluyendo por tierra ante cortocircuito monofsico a tierra muy lejos

de la subestacin.

LMNM = .2 (3Q + 3W) + .2 32 3.23 La figura 3.21 muestra la distribucin de la corriente total que fluye por tierra, de sta se

puede obtener con facilidad la impedancia a tierra equivalente de la torre cortocircuitada.

1/U( = 11U + 21S 3.24

33

Figura 3.21 Distribucin de corriente que fluye por tierra.

Luego, el potencial de tierra en la subestacin se obtiene utilizando la ecuacin 3.25.

V/W = 1/U(/( 3.25 3.6.2.3 Cortocircuito monofsico a tierra en las adyacencias de una subestacin

Para este caso, mostrado en la figura 3.22, la corriente que fluye por tierra se calcula

utilizando la frmula 3.26.

Figura 3.22 Corriente parcial fluyendo por tierra ante cortocircuito monofsico a tierra en las

adyacencias de la subestacin.

34

/W\ = .*]J" 1/U1/U + 1S\ 21S 133(1/W + 1S)_\ (1/W 1S + 133)_-\ 3.*W 1S1S + 1/W 3.26

sta depende de cuatro factores los cuales se calculan utilizando las formulas 3.27 a la 3.30.

1S\ = 1S(1/W + 1S)_\ + `1S(1/W 1S + 2133) 133(1/W + 133)a_-\(1/W + 1S)_\ (1/W 1S + 1b)_-\ 3.27

1/W = 11/W + 11S

3.28

1/U = 11U + 11S

3.29

_ = 1 + 133 c 1U + 11Sd 3.30

Finalmente, el potencial de tierra en la subestacin se obtendr mediante la frmula 3.31.

V/W\ = 1/W/W\ 3.31

Las figuras 3.23 y 3.24 muestran un flujograma con los pasos necesarios para la realizacin

del diseo de una malla de puesta a tierra mediante el criterio de voltajes de toque y paso de la

norma IEEE Std. 80

Si se quiere utilizar este flujograma como gua de diseo, una explicacin ms detallada,

contemplando las ecuaciones necesarias y localizacin de tablas en la norma, se encuentra en el

ANEXO B de este informe.

35

Figura 3.23 Diseo de un sistema de puesta a tierra. Criterio de voltajes de toque y paso. Parte 1.

36

Figura 3.24 Diseo de un sistema de puesta a tierra. Criterio de voltajes de toque y paso. Parte 2.

CAPTULO 4

MARCO TERICO DEL SPCDA

4.1 Generalidades de las descargas atmosfricas

4.1.1 Nivel Cerunico [11]

El nivel cerunico se define como el promedio anual de das u horas de tormentas elctricas

en una localidad dada. Nivel cerunico diario es llamado da de tormenta elctrica y es el nmero

promedio de das al ao en los cuales se escucharan truenos en un periodo de 24 horas. Por esta

definicin, es indiferente cuantas veces se escucha el trueno durante el periodo de 24 horas. En

otras palabras, si el trueno se escucha en cualquier da ms de una vez, el da se sigue clasificado

como un da de trueno o da de tormenta elctrica.

4.1.2 Densidad de rayos a tierra [rayos.km-2.yr -1] [11]

Se define como el nmero promedio de descargas por unidad de rea por unidad de tiempo

en una locacin particular. Se asume usualmente que la densidad de rayos a tierra en un terreno,

una subestacin o una lnea de distribucin o transmisin es aproximadamente proporcional al

nivel cerunico de la localidad. La IEEE Std. 998 propone una tabla con diferentes ecuaciones

para el clculo de la densidad de rayos a tierra basada en estudios de diversos autores. Para el

caso de los pases tropicales como Venezuela, se utiliza la frmula 4.1.

ef = 0,13 g 4.1 4.2 Diseo del sistema de proteccin contra descargas atmosfricas [11]

Los ingenieros que buscan disear un sistema de apantallamiento contra descargas directas

para una subestacin o instalacin deben lidiar con varios factores inherentes de los fenmenos

de descargas atmosfricas, como lo son:

38

La naturaleza probabilstica e impredecible de las descargas atmosfricas

La falta de informacin debido a la infrecuencia de las descargas atmosfricas en

subestaciones.

Debido a los factores mencionados anteriormente, se sugiere que se aborde el problema de

diseo de proteccin contra descargas en cuatro pasos:

1. Evaluar la importancia y valor de la instalacin a ser protegida.

2. Realizar un anlisis de riesgo para determinar la necesidad de proteccin contra

descargas que requiere la instalacin.

3. Seleccionar un mtodo de diseo apropiado consistente con la evaluacin

anteriormente expuesta y luego proponer un sistema de proteccin apropiado.

4. Evaluar la efectividad del diseo resultante.

4.2.1 Mtodos de diseo

4.2.1.1 Esfera rodante [12]

El uso del mtodo de la esfera rodante implica rodar una esfera imaginaria de radio S sobre

la superficie a ser protegida. La esfera debe ser rodada por encima de (estando soportada por)

mstiles, cables de apantallamiento, puntas franklin, cercas de subestacin y cualquier otro objeto

metlico que se encuentre puesto a tierra y pueda proveer apantallamiento contra descargas.

Cuando la esfera se encuentra tangente a la tierra y reposando contra un dispositivo de

proteccin contra descargas, todo el espacio en el plano vertical entre los dos puntos de contacto

debajo de la esfera se considera que est dentro de la zona de proteccin (Figura 4.1). Una zona

de proteccin tambin ser formada cuando la esfera este descansando en dos o ms dispositivos

de proteccin e incluir el espacio en el plano vertical debajo de la esfera y entre estos

dispositivos. Todas las posibles colocaciones de la esfera deben ser consideradas cuando se est

determinando la zona de proteccin total, tal como se muestra en la figura 4.2.

Segn la NFPA 780 el 91% de las descargas atmosfricas son de 10 kA, esta es la magnitud

de corriente utilizada para ste mtodo, con la que se determina una distancia de impacto (radio

de la esfera rodante) de 45 m.

39

Figura 4.1 Mtodo de la esfera rodante. Zona protegida. [12]

Figura 4.2 Esfera rodante. [12]

Usando el mtodo de la esfera rodante, la distancia proyectada horizontalmente puede ser

calculada usando la frmula 4.2.

= #J (2 J) # (2 ) 4.2 4.2.1.2 ngulo Fijo [12]

Este mtodo usa ngulos verticales para determinar el nmero, posicin y altura de los

cables de apantallamiento o mstiles. Los ngulos usados son determinados por el grado de

exposicin a descargas atmosfricas, la importancia de la instalacin a ser protegida y el rea

fsica ocupada por la instalacin. El valor del ngulo alfa comnmente usado es de 45. Para el

40

ngulo beta los valores ms usados son 30 y 45. Un ejemplo del uso de este mtodo se puede

ver en la figura 4.3.

(A)

(B)

Figura 4.3 ngulo fijo. A: Cable de guarda. B: Mstiles. [11]

4.2.2 Terminales areos y soportes [12]

Un mstil de proteccin contra descargas atmosfricas es una columna o estructura de base

angosta que contiene un conductor vertical que va desde su punta a tierra, o que es por s mismo

un conductor apropiado a tierra. Su propsito es interceptar descargas atmosfricas para que as

no afecten a los objetos localizados dentro de su zona de proteccin.

41

La punta de los terminales areos debe estar al menos 254 mm por encima del objeto o rea

a ser protegida, tal como muestra la figura 4.4, siendo A= 254 mm.

Los terminales areos deben ser asegurados contra vuelcos o desplazamientos por alguno de

los siguientes mtodos:

Fijacin al objeto a ser protegido

Abrazaderas que son permanente y rgidamente fijadas a la estructura

Figura 4.4 Instalacin terminal areo. [12]

Los terminales areos que exceden los 600 mm en altura deben ser soportados en un punto

no menor a la mitad de su altura.

Esto se muestra en la figura 4.5, donde A es la distancia por encima del objeto, 254 mm, B

es la altura total del terminal areo, 600 mm o ms, y C es la distancia desde la base del terminal

areo hasta el soporte localizado en la mitad de la longitud del terminal, 300 mm o ms.

42

Figura 4.5 Instalacin terminal areo sobre soporte metlico. [12]

Las partes metlicas de una estructura que se encuentren expuestas a descargas atmosfricas

directas y tengan un espesor metlico de 4.8 mm o mas solo requerirn conexin al sistema de

proteccin contra descargas atmosfricas.

Los mstiles deben poseer un grosor mnimo en su punta de 4.8 milmetros o ser provistos

de puntas Franklin en ellas. Tambin deben poseer continuidad elctrica y paredes de al menos

1.63 milmetros de grosor para que puedan servir como conductores de bajada. De no ser as, se

debern proveer de conductores de bajada.

4.2.2.1 Ubicacin de los dispositivos de proteccin contra descargas [12]

Como se muestra en la Figura 4.6, la distancia entre la punta Franklin y las terminaciones en

cresta de los techos dos aguas, o bordes y esquinas exteriores en techos planos o con

inclinaciones pequeas, no deben exceder 0,6 m.

Las puntas Franklin deben ubicarse en las crestas de los techos dos aguas, y alrededor del

permetro de techos planos o con pequea inclinacin, en intervalos no mayores a 6 m. Las

puntas Franklin a 0.6 m o ms sobre el objeto o rea a ser protegida pueden ubicarse en intervalos

no mayores a 7,6 m.

43

Figura 4.6 Ubicacin de terminales areos en techo. [12]

Las distancias mostradas en la figura 4.6 se refieren a diferentes separaciones concernientes

a puntas Franklin y conductores:

A: 15 m. Mximo espaciamiento entre puntas Franklin.

B: 45 m. Mxima longitud del conductor transversal permitida sin conectar dicho

conductor al conductor principal o uno de bajada.

C: 6 m o 7.6 m. Mximo espaciamiento entre puntas Franklin a lo largo del borde.

4.2.3 Conductor principal [12]

Los conductores principales deben interconectarse a todas las puntas franklin y deben

formar dos o ms caminos desde cada punta franklin hacia abajo, horizontalmente, o

levantndose con una pendiente no mayor de a conexiones con electrodos de tierra.

El conductor del SPCDA debe ser de un calibre igual o mayor a 2 AWG, segn practicas

internas de la empresa, basadas en la norma 201 de PDVSA.

44

4.2.3.1 Soportes de Conductores [12]

Se permite que los conductores recorran una distancia en aire sin soporte de 0.9 m o menos.

Conductores que deban recorrer distancias en aire mayores a la establecida anteriormente,

debern contar con un medio efectivo de soporte que prevenga el dao o desplazamiento del

conductor.

4.2.4 Conductores bajantes [12]

Los conductores bajantes se utilizan para conducir la energa absorbida de la descarga

atmosfrica a la tierra y para disiparla.

La ubicacin de los conductores de bajada depender de las siguientes consideraciones:

Colocacin de los dispositivos de proteccin contra descarga

La trayectoria ms directa de los conductores hacia tierra

Condiciones de la tierra

Seguridad contra desplazamiento

Ubicacin de grandes cuerpos metlicos

Ubicacin de sistemas de tuberas metlicas subterrneas.

El nmero de conductores bajantes de un sistema de proteccin contra descargas

atmosfricas debe ser de al menos dos, para cualquier tipo de estructura. Aquellas estructuras que

excedan 76 m de permetro debern tener conductores de bajada cada 30 m de permetro, tal

como muestra la figura 4.7.

Los conductores de bajada localizados en pistas, caminos, patios de escuelas, patios de

ganado, paseos pblicos, o en otros lugares donde puedan estar sujetos a dao fsico o

desplazamiento debern estar protegidos por una distancia mnima de 1.8 m sobre el nivel del

suelo.

45

Figura 4.7 Ubicacin de conductores bajantes. [12]

Cada conductor bajante debe terminar en un electrodo de puesta a tierra (jabalina) dedicado

al sistema de proteccin contra descargas atmosfricas. Dichos electrodos deben ser extendidos

verticalmente no menos de 3 m en la tierra, esto se muestra en la figura 4.8.

Figura 4.8 Jabalina terminal para conductor bajante. [12]

46

4.2.5 Anlisis de riesgo [12]

La metodologa de anlisis de riesgo fue prevista con el propsito de asistir a los dueos de

edificaciones, personal de seguridad, arquitectos o ingenieros a determinar el riesgo de dao o

perjuicios debido a una descarga atmosfrica. Esta metodologa es una gua que toma en cuenta

los parmetros de amenaza de un rayo y los siguientes factores:

a) Entorno de la edificacin

b) Tipo de construccin

c) Ocupacin de la estructura

d) Contenido de la estructura

e) Consecuencias de una descarga atmosfrica

Una vez que el nivel de riesgo de una estructura ha sido determinado, se pueden

implementar medidas de proteccin apropiadas contra descargas atmosfricas.

Existen dos metodologas para analizar riesgos: la simplificada y la detallada.

4.2.5.1 Anlisis de riesgo simplificado [12]

Calcula la frecuencia tolerable de rayos Nc y la compara con la amenaza anual de ocurrencia

Nd. Si sta es menor que la amenaza anual de ocurrencia entonces se debe instalar un SPCDA, de

lo contrario el SPCDA puede ser opcional. La frecuencia tolerable de rayos es una medida de

riesgo de dao a estructura que incluye que afectan los riesgos de la estructura, su contenido, y la

prdida ambiental. Se calcula dividiendo la frecuencia aceptable de prdida de bienes entre varios

coeficientes que relacionan la estructura, su contenido, y la consecuencia de los daos.

La frmula para el clculo de la amenaza anual de ocurrencia Nd, se presenta en la ecuacin

4.3. Esta frmula toma en cuenta tres factores: la densidad de rayos a tierra, el rea de coleccin

equivalente y el coeficiente de localizacin.

ei =ef j !J 10-k 4.3

47

La densidad de rayos a tierra, para pases tropicales como Venezuela, se calcula mediante la

ecuacin 4.1 presentada en el apartado 4.1.2 de este informe.

El rea de coleccin puede ser calculada mediante la ecuacin 4.4 para geometras de

estructuras bsicas como rectngulos, o grficamente para geometras ms complejas, tal como se

muestra en la figura 4.9, siendo L la longitud de la estructura, W el ancho y H la altura.

j = Kl + 6m(K +l) + 9m 4.4

Figura 4.9 Clculo del rea de coleccin equivalente para estructuras complejas. [12]

Por ltimo, el valor del coeficiente de localizacin se obtiene de la tabla 4.1, extrada de la

norma NFPA 780 2011.

Tabla 4-1 Determinacin del coeficiente de localizacin C1. [12]

Ubicacin relativa de la estructura C1

Estructura rodeada de estructuras ms altas o rboles dentro de una distancia de 3H 0.25

Estructura rodeada por estructuras de igual o menor altura dentro de una distancia de 3H 0.5

Estructura aislada, sin otras estructuras localizadas dentro de una distancia de 3H 1

Estructura aislada en la cima de una colina 2

48

Para el clculo la frecuencia tolerable de rayos se emplea la ecuacin 4.5, sta saca una

relacin entre el valor por defecto de la frecuencia tolerable de prdidas de propiedad y el

coeficiente C, el cual es una multiplicacin (Ecuacin 4.6) de varios factores estructurales cuyos

valores se obtienen de las tablas 4.2 hasta la 4.5.

e = J.Jpq2 4.5

! = ! !G !E ! 4.6 Tabla 4-2 Determinacin del coeficiente de construccin C2. [12]

Coeficiente de construccin C2

Estructura Techo metlico Techo no-metlico Techo inflamable

Metlica 0.5 1.0 2.0

No-metlica 1.0 1.0 2.5

Inflamable 2.0 2.5 3.0

Tabla 4-3 Determinacin del coeficiente de contenidos de la estructura C3. [12]

Contenidos de la estructura C3

Poco valor y no inflamable 0.5

Valor estndar y no inflamable 1.0

Alto valor, combustibilidad moderada 2.0

Valor excepcional, lquidos inflamables, equipos electrnicos 3.0

Valor excepcional, bienes culturales irremplazables 4.0

Tabla 4-4 Determinacin del coeficiente de ocupacin de la estructura C4. [12]

Ocupacin de la estructura C4

Desocupada 0.5

Normalmente ocupada 1.0

Difcil de evacuar o riesgo de pnico 3.0

49

Tabla 4-5 Determinacin del coeficiente de consecuencia de descarga atmosfrica C5. [12]

Consecuencia de descarga atmosfrica C5

Continuidad de los servicios de la instalacin no requerida, ningn impacto ambiental 1.0

Continuidad de los servicios de la instalacin requerida, ningn impacto ambiental 5.0

Consecuencias ambientales 10.0

4.2.5.2 Anlisis de riesgo detallado [12]

Esta metodologa involucra la comparacin del riesgo de prdida calculado debido a

descarga con el nivel de riesgo tolerable. El procedimiento involucra la comparacin del riesgo

estimado con el tolerable o riesgo aceptable a una estructura. Estas evaluaciones determinaran el

riesgo de una descarga atmosfrica causando prdida de vidas o daos, prdida de elementos

histricos, perdida de servicio(s), y la probable prdida econmica. Proveyendo estos factores de

riesgo, el responsable de una instalacin podr realizar una decisin informada en beneficio de la

proteccin contra descargas, basado en una diversa serie de factores.

Este anlisis es mucho ms extenso y minucioso que el simplificado, ya que no slo toma en

cuenta el riesgo por descargas atmosfricas directas a la estructura, sino que tambin incluye los

riesgos provenientes de descargas atmosfricas incidentes en estructuras adyacentes, alrededor de

la estructura, en servicios de entrada y alrededor de estos, por lo que se recomienda el uso del

mismo en los casos en los cuales existan dudas de los resultados obtenidos del anlisis

simplificado.

En la figura 4.8 se muestra un diagrama de flujo con los pasos que se deben seguir para

realizar un anlisis de riesgo detallado utilizando el procedimiento propuesto en la norma NFPA

780 2011.

En el ANEXO C de este informe se muestra una gua detallada para el uso del flujograma,

sta muestra la ubicacin de las ecuaciones en la norma y los detalles acerca del clculo

necesario.

50

Figura 4.10Anlisis de riesgo detallado.

CAPTULO 5

DISEO DEL SISTEMA DE PUESTA A TIERRA

El diseo del sistema de puesta a tierra para las distintas reas en cuestin de la Refinera de

Guaraguao est