INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA UNIDAD ZACATENCO

DISEÑO DE LA PROTECCIÓN CONTRA DESCARGAS ATMOSFÉRICAS EN UN TANQUE DE ALMACENAMIENTO DE PRODUCTOS INFLAMABLES TESIS QUÉ PARA OBTENER EL TÍTULO DE INGENIERO ELECTRICISTA

PRESENTA:

Martínez Contreras David Pablo ASESORES: M. en C. Oscar Luis Puente Navarrete M. en C. Edgar Lorenzo Belmonte González

MÉXICO D.F. 09 DE JUNIO DEL 2011

I

INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL

ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA MECANICA. y ELECTRICA UNIDAD PROFESIONAL" ADOLFO LOPEZ MATEOS" ,

TEMA DE TESIS QUE PARA'OBTENER EL TItULO DE

POR LA OPCION DE TITULACION DEBERA(N) DESARROLLAR

INGENIERO ELECTRICISTA TESIS Y EXAMEN ORAL INDIVIDUAL

C. DAVID PABLO MARTlNEZ CONTRERAS

"DISEÑO DE LA PROTECCIÓN CONTRA DESCARGAS ATMOSFÉRICAS EN UN TANQUE DE ALMACENAMIENTO DE PRODUCTOS INFLAMABLES."

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MÉXICO D.F., 07 DE MARZO 2012.

ASESORES

M. EN C. EDGA

ltl/'~.I-'/.:>AR DAVID RAMÍREZ ORTIZ

DEL DEPARTAMENTO ACADÉMICO DE INGENIERÍA ELÉCTRICA.

Dedicatorias y Agradecimientos  A Dios por darme la oportunidad de estar aquí y por darme lo necesario para llegar a ser lo que soy.  A la Virgen de Guadalupe por estar siempre conmigo en los momentos más difíciles, y con mucha humildad le dedico este trabajo.  A mis padres: David Martínez Aguilar y Isabel Contreras Contreras, con infinito agradecimiento, gracias por darme su apoyo incondicional.  A mi hermana Gabriela Martínez Contreras por su apoyo en los momentos difíciles.  A mis abuelitos maternos el Sr. Calixto Contreras Torres (q.p.d) y la Sra. María Contreras Arteaga (q.p.d), con infinito cariño y respeto, porque me enseñaron que la humildad y el trabajo duro, son el camino hacia el éxito.  A mis abuelitos Paternos el Sr. José Trinidad Martínez Torres (q.p.d) y la Sra. Emilia Aguilar Lincona (q.p.d), porque aun que fue cortó el tiempo que los conocí me dieron su apoyo y cariño.  A mi tío el Ing. Eustorgio Contreras Contreras, por sus consejos, su apoyo moral y por ayudarme a la realización de este trabajo.  A mis familiares por sus grandes consejos y aliento moral.  A mi E.S.I.M.E y mis profesores el M. en C. Oscar Luis Puente Navarrete y el M. en C. Edgar Lorenzo Belmonte, por su apoyo incondicional.

 A mis compañeros: Ángel Alberto López Trujillo, Luis Ricardo Fernández Esquivel, José de Jesús Sánchez Ruiz, por que mas que mis compañeros, son mis hermanos de mil y un batallas.

2

ÍNDICE

GLOSARIO..................................................................................................................... 9 OBJETIVO GENERAL ............................................................................................... 11 OBJETIVOS ESPECÍFICOS...................................................................................... 11 JUSTIFICACIÓN ......................................................................................................... 12

1. Introducción 1.1 Tipos de sobretensiones. ....................................................................................... 15 1.1.1 Sobretensiones de origen atmosférico. ........................................................ 16 1.1.1.1 Sobretensiones conducidas. ............................................................. 16 1.1.1.2 Sobretensiones inducidas o radiadas. .............................................. 16 1.1.1.3 Sobretensión producida por la toma de tierra. ................................. 17 1.2 Proceso de carga y descarga de la nube. ............................................................... 17 1.2.1 Mecanismo de electrización. ....................................................................... 18 1.2.2 Inicio de la fase activa. ................................................................................ 18 1.2.3 Madurez de la fase activa. ........................................................................... 18 1.2.4 Fin de la fase activa. .................................................................................... 19 1.3 Forma de onda de la corriente del rayo. ............................................................... 19 1.4 Bases teóricas de las protecciones contra descargas eléctricas atmosféricas. ...... 20 1.4.1 Jaula de Faraday. ......................................................................................... 21 1.4.2 Mástil de Franklin........................................................................................ 21

2. Conceptos de blindaje de equipos e instalaciones 2.1 Hilos de guarda. .................................................................................................... 24 2.2 Sistemas de pararrayos. ....................................................................................... 24 2.3 Definición de un sistema de pararrayos. ............................................................... 25 2.4 Tipos de pararrayos. ............................................................................................. 26 2.4.1 Pararrayos tipo Franklin. .............................................................................. 26 2.4.2 Pararrayos radioactivo. ................................................................................. 27 2.4.3 Pararrayos con dispositivo de cebado (PDC). .............................................. 28 2.4.3.1 Pararrayos piezoeléctricos. ............................................................... 29 2.4.3.2 Pararrayos electrónicos. .................................................................... 29 2.4.3.3 Pararrayos PDC puros o mecánicos.................................................. 29 3

2.4.4 Pararrayos desionisadores de carga electrostática (CTS). ............................. 29 2.4.5 Pararrayos PDC-E.......................................................................................... 30 2.4.6 Pararrayos stream. ......................................................................................... 30 2.5 Sistemas no convencionales. ................................................................................ 31 2.6 Sistemas de transferencia de carga (CTS). ........................................................... 32 2.7 Dispositivos ESE (Early Streamer Emisión- Emisión Adelantada del Trazador). 32 2.8 Estudio previo de la protección contra el rayo. .................................................... 33 2.8.1 Determinación del punto de impacto. ............................................................ 34 2.8.2 Velocidad de propagación de los trazadores o líderes. .................................. 35 2.8.3 Zona de protección. ....................................................................................... 35 2.8.4 Radio de protección. ...................................................................................... 36 2.9 Guía de evaluación del riesgo de impacto de rayo y selección del nivel de protección. ...................................................................................................................... 37 2.9.1 Determinación de Frecuencia de impactos de rayo (𝐍𝐝) y frecuencia aceptable de rayos (𝐍𝐜).................................................................................................. 39 2.9.2 Frecuencia aceptable de rayos (𝐍𝐜) sobre una estructura. ............................ 42 2.10 Método de selección del nivel de protección..................................................... 43

3. Principios y Fundamentos de un sistema de puesta a tierra 3.1 Sistema de puesta a tierra. .................................................................................... 48 3.2 Objetivo de un sistema de puesta a tierra. ............................................................ 48 3.3 Características del suelo. ...................................................................................... 50 3.4 Resistividad del suelo. .......................................................................................... 50 3.5 Factores que modifican la resistividad del suelo. ................................................. 51 3.6 Métodos utilizados para la medición de la resistividad del suelo. ....................... 54 3.6.1 Método Wenner o método de los cuatro puntos. ........................................... 55 3.6.1.1 Principios del método Wenner. ........................................................ 55 3.6.1.2 Equipo y material empleado. ............................................................ 56 3.6.1.3 Procedimiento de la medición. ......................................................... 56 3.6.2 Método de Schlumberger. ............................................................................ 57 3.6.3 Método de los tres puntos o caída de tensión. ............................................... 59 3.7 Compuestos químicos para la resistividad del suelo. ........................................... 60 3.7.1 Tratamientos para la reducción de la resistividad del suelo. ......................... 61 3.7.1.1 Cloruro de sodio más carbón vegetal. .............................................. 61 4

3.7.1.2 Bentonita............................................................................................ 62 3.8 Criterios de tensión de seguridad......................................................................... 62 3.8.1 Tensión de paso. ........................................................................................... 62 3.8.2 Tensión de contacto. ..................................................................................... 67 3.9 Selección del conductor del sistema de puesta a tierra. ..................................... 69 3.10 Resistencia del sistema de puesta a tierra. ......................................................... 72 3.11 Máxima tensión de malla. .................................................................................. 74 3.12 Máxima tensión de paso. ................................................................................... 77 3.13 Longitud mínima del conductor. ....................................................................... 78

4. Tanques de almacenamiento de productos inflamables 4.1 Patio de tanques. .................................................................................................. 81 4.2 Área de un patio de tanques. ................................................................................ 82 4.3 Tipos de tanques. ................................................................................................. 82 4.3.1Tanques cuadrados o rectangulares. .............................................................. 82 4.3.2 Tanques cilíndricos horizontales. ................................................................. 83 4.3.3 Tanques cilíndricos verticales. ..................................................................... 83 4.3.4 Recipientes a presión (pressure vessels). ...................................................... 87 4.4 Partes que constituyen un tanque de techo flotante. ............................................ 87 4.4.1 Trabajos preliminares. .................................................................................. 95 4.4.2 Cimentación. ................................................................................................. 95 4.4.3 Fondo. ........................................................................................................... 96 4.4.4 Techos. .......................................................................................................... 97

5. Cálculo del nivel de protección y diseño del sistema de puesta a tierra mediante el programa CALIXTO-87 5.1 Funcionamiento del programa CALIXTO-87. .................................................... 99 5.2 Diagrama de flujo del programa CALIXTO-87. ............................................... 101 5.3 Diseño del sistema de blindaje y del sistema de puesta a tierra mediante un proceso analitico. .......................................................................................................... 103 5.3.1 Cálculo de la superficie de captura. ........................................................... 104 5.3.2 Selección del coeficiente de la situación de la estructura. ......................... 104 5.3.3 Cálculo de la frecuencia aceptable de rayos sobre el tanque (Nc). ........... 104

5

5.3.4 Determinación del nivel de protección. ....................................................... 104 5.3.5 Cálculo de la sección transversal del conductor. ......................................... 105 5.3.6 Determinación de tensión de toque y paso. ................................................. 105 5.3.7 Determinación de la longitud del conductor................................................ 105 5.3.8 Resistencia de la red. ................................................................................... 106 5.3.9 Cálculo del número de conductores paralelos en la malla.......................... 107 5.3.10 Cálculo del factor de espaciamiento para la tensión de malla. .................. 107 5.3.11 Cálculo del factor de espaciamiento para la tensión de malla. .................. 107 5.3.12 Cálculo del factor de corrección por geometría. ....................................... 108 5.3.13 Cálculo de la tensión de malla máxima. .................................................... 108 5.3.14 Rediseño del sistema. ................................................................................ 108 5.4 Corrida del programa CALIXTO-87. ............................................................... 114

CONCLUSIONES ...................................................................................................... 120

ANEXOS ..................................................................................................................... 121 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS. .................................................................... 138

6

ÍNDICE DE TABLAS Tabla 2.1 Niveles de protección establecidos en la norma CEI 62305-3 [14]...................................................................................................................................38 Tabla 2.2 Efectos del rayo en diferentes estructuras [26]………………...........................................................................................................38 Tabla 2.3 Densidad de caída de rayos por Km2 [26]……………………………………………………………………………......38 Tabla 2.4 Tabla que determina el coeficiente C1 [26]……………………………………………………..……………………………....39 Tabla 2.5 Coeficiente de estructura C2 [26]……………………………………………………………..……………………....42 Tabla 2.6 Contenido de estructura C3 [26]..................................................................................................................................42 Tabla 2.7 Ocupación de la estructura C4 [26]………………………………………….42 Tabla 2.8 Consecuencia sobre el entorno (C5) [26]..................................................................................................................................42 Tabla 2.9 Determinación de la necesidad y el nivel de protección [26]……………………………………………………………………………………..43 Tabla 2.10 Determinación del nivel de protección [26]……………………………………………………………………………………..44 Tabla 3.1 Resistividad Promedio [23]……………………………………………………………………………………..53 Tabla 3.2 Naturaleza del suelo [23]…………………………………………………………………………………..…53 Tabla 3.3 Valores de Resistividad de Aislantes [23]……………………………………………………………………………………..64 Tabla 3.4 Características de materiales [24]………………………………………………………………………………...…...69 Tabla 3.5 Constantes de materiales [24]………………………………………………………………………………….….70 Tabla 4.1 Colores que deben tener los tanques de almacenamiento [30]….............................................................................................................................79 7

Tabla 4.2 Datos técnicos de los tanques plegables [30]…………………………………………………….……………………………….83 Tabla 4.3 Dimensiones reales de los tanques de almacenamiento tipo techo flotante [28]………………………………………………………………………………….….84 Tabla 5.1 Comparación de los resultados obtenidos por el método analítico y los resultados que arroja l programa CALIXTO-87……………………………………...110

8

GLOSARIO Campo eléctrico atmosférico.- Un término cuantitativo, denotando la fuerza o intensidad del campo eléctrico de la atmósfera en cualquier punto específico en el espacio y en el tiempo. U.M.- Unidad de medida. C.C.- Corto circuito. Electrificación de la nube.- El proceso por medio del cual se cargan eléctricamente las nubes. Rayo intra nube.- Una descarga de rayo que ocurre entre una zona cargada positivamente y una zona cargada negativamente, cuando ambas cargas se encuentran en la misma nube. Líder.- Canal de alta ionización que se propaga a través del aire por el rompimiento del dieléctrico, producido por la carga eléctrica descendente. Líder rápido.- El líder que normalmente inicia cada rayo subsiguiente de una descarga múltiple de rayos después del primero. Estratificación del suelo.- Disposición en capas verticales y horizontales de las rocas sedimentarias. Descarga eléctrica atmosférica (Rayo).- Descarga eléctrica de corriente muy alta cuya longitud de trayectoria se mide en kilómetros. Relámpago.- Descarga eléctrica atmosférica completa, de nube a tierra, o de tierra a nube, se le llama relámpago. Rayo en Zigzag.- La forma común de una descarga eléctrica de nube a tierra visualmente siempre se presenta en mayor o menor grado con varias ramificaciones (brazos), en forma descendente desde el canal principal del rayo (paso líder). Descarga eléctrica de Tierra a Nube.- Una descarga eléctrica de rayo en la cual el proceso del paso líder original empieza en forma ascendente desde algún objeto sobre la tierra, de manera opuesta a la mayoría de las más comunes descargas de Nube a Tierra. Factor “K”.- Término común en la industria con el que se conoce la cantidad de armónicas producida por una carga dada. Granulometría.- Es la medición de los granos de una formación sedimentaria y el cálculo de la abundancia de los correspondientes a cada uno de los tamaños previstos por una escala granulométrica. Interferencia.- Interferencia es cualquier perturbación eléctrica o electromagnética extraña que tiende a alterar la recepción de las señales deseadas o produce respuestas indeseables en un circuito o sistema. 9

Sistema de puesta a tierra (S.P.T).- Comprende el conjunto de elementos interconectados, enterrados en el suelo dentro de un área específica, como electrodos horizontales (conductores desnudos), verticales (varillas de tierra). Malla del Sistema de Puesta a Tierra (S.P.T).- Conjunto de electrodos horizontales, el cual consiste en un cierto número de conductores desnudos enterrados en el suelo, proporcionando una tierra común para equipos eléctricos o estructuras metálicas, usualmente en un área común. Material superficial.- Material instalado encima del suelo, el cual consiste (sin ser limitativo) en roca triturada, asfalto o algún material hecho por el hombre. Potencial de malla.- Máxima tensión de contacto que puede ocurrir en el reticulado de la malla del S.P.T. Resistencia a tierra de la malla del Sistema de Puesta a Tierra.- Es la resistencia óhmica entre la malla y un electrodo de tierras remoto de resistencia cero. Resistividad aparente del suelo.- Se denomina resistividad aparente debido a que siempre se puede calcular, solo se necesita conocer la localización de los electrodos de prueba, la tensión y la corriente aplicados. Resistividad del suelo.- La resistividad eléctrica o resistencia específica del suelo, es la resistencia de un volumen que tenga un área con sección transversal y longitud unitarias. Tensión de contacto.- Diferencia de potencial entre el EPR y el potencial máximo en la superficie del suelo donde se encuentre una persona tocando con una o ambas manos una estructura metálica o cualquier elemento conductor directamente unido a la red de tierra. Tensión de paso.- Diferencia de potencial máxima que se aplicará a una persona entre sus pies, cuando en el instante de una falla se encuentre caminando en un área con una diferencia de potencial en la superficie. Tensión transferida.- Caso especial de tensión de contacto donde una tensión es transferida hacia dentro o hacia fuera de la subestación. Tierra.- Conexión conductora, ya sea intencional o accidental, por medio de la cual un circuito eléctrico o equipo se conecta a la tierra o a algún cuerpo conductor de dimensión relativamente grande que cumple la función de la tierra.

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OBJETIVO GENERAL El objetivo de este trabajo es el estudio y diseño de la protección contra descargas eléctricas atmosféricas aplicado en un tanque de almacenamiento de productos inflamables mediante un blindaje y un sistema de puesta a tierra.

OBJETIVOS ESPECÍFICOS 

Aportar una posible solución para proteger a los tanques de almacenamiento de combustible contra las descargas eléctricas atmosféricas, visto desde un marco teórico-práctico.



Diseño de un sistema de blindaje para la protección de un tanque de almacenamiento de productos inflamables.



Diseño del sistema de puesta a tierra para la protección de un tanque de almacenamiento de productos inflamables.



Desarrollar un programa que calcule los sistemas de blindaje y de puesta a tierra, de acuerdo a estándares internacionales.

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JUSTIFICACIÓN Existen antecedentes alrededor del mundo que evidencian la necesidad de implementar una protección contra descargas eléctricas atmosféricas. Analizando específicamente las actividades de almacenamiento y procesamiento de combustible, los impactos de rayos representan el 61% de los accidentes iniciados por causas naturales, 16 de cada 20 accidentes que involucran el almacenamiento de productos petroleros se debieron a tormentas eléctricas. Aproximadamente el 30% de las fallas anuales en el sistema eléctrico están relacionadas con descargas atmosféricas (tormentas eléctricas), lo cual representa una pérdida económica bastante fuerte [5]. Como antecedentes se citan los siguientes: 

1926-Un rayo causo la explosión en la estación naval de prueba de misiles en Lake Denmark Nueva Jersey, esto dejo 13 personas muertas y la pérdida económica ascendió a 70 millones de dólares [3].



1997-Las pérdidas civiles de mayor cuantía debido a una descarga atmosférica se registraron en los Estados Unidos y fue en un almacén en Denver; los daños al edifico y su contenido excedieron los 50 millones de dólares [3].



2007 -Oklahoma, Estados Unidos, un gran incendio que provocó el cierre de la refinería Gary Williams Energy Corp. en Winnewood Oklahoma. El incendio comenzó cuándo un rayo impacto a un tanque de almacenamiento consumiendo cincuenta mil barriles de nafta; el rayo perforo la parte superior del tanque, tal como lo muestra la Imag. 1 [3].

Imag. 1 Muestra la consecuencia del impacto del rayo sobre un tanque de nafta [3].

12



2007-Un impacto de rayo golpeo un sistema de desechos de agua salada cerca de Cresso, como se aprecia en la Imag 2. Él fuego destruyo diez tanques de agua salada y una pequeña oficina de las Texas Transco Inc. [3].

Imag. 2 Impacto de un rayo sobre la parte superior de un tanque de desechos de agua salada [3].

A continuación se darán las causas de los accidentes provocados por las descargas eléctricas atmosféricas, en tanques de almacenamiento de productos inflamables que es el objetivo de este trabajo [3]:

1. Perforación de los tanques, arco eléctrico en la atmosfera que es un peligro en el interior del tanque. 2. Arco eléctrico formado entre partes metálicas no equipotenciales en presencia de atmosferas peligrosas.

3. Arco eléctrico entre los conductores de alimentación o instrumentación y el sistema de puesta a tierra en presencia de una atmosfera peligrosa (Agujero de Faraday). Por estas causas, se justifica que este trabajo este dedicado al estudio de la protección contra descargas atmosféricas, ya que este problema afecta tanto a la seguridad del personal, como a la integridad de la instalación.

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CAPITULO I

INTRODUCCIÓN

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1. Introducción. En este trabajo tratará acerca de los daños producidos por las descargas eléctricas atmosféricas en los tanques de almacenamiento de combustibles de una forma general, partiendo de la descripción de las características de las descargas atmosféricas y de los elementos básicos de protección como son los pararrayos o bayonetas y las redes de tierra. A lo largo de la historia la industria petrolera ha evidenciado la naturaleza destructiva de las descargas atmosféricas, cuyos resultados generalmente son incendios de gran magnitud, ocasionando grandes pérdidas económicas, la destrucción de las instalaciones como lo son: áreas de almacenamiento, plantas de refinación, etc [5]. Cada año se pierden vidas humanas debido al incendio o explosión de tanques de almacenamiento; ejemplos de estos es lo que ocurrió en Nigeria en el año de 1990 donde se incendio un tanque que contenía 670,000 barriles de petróleo a causa del impacto de un rayo, el costo aproximado de este incidente fue de $ 30, 000,000 de dólares; otro ejemplo es lo que sucedió en la refinería Cilacap en Indonesia, donde un rayo impacto un tanque de almacenamiento, provocando un gran incendio el cual se extendió a otros seis tanques; esto tan solo son dos ejemplos de situaciones que se presentan frecuentemente en diferentes partes del mundo, en promedio entre 12 y 20 tanques son sujetos a descargas cada año [5].

1.1 Tipos de sobretensiones. Se entiende que una sobretensión es la elevación de la tensión que se presenta en algún punto de una red eléctrica respecto a la tensión eficaz nominal, de fase a fase o de fase a neutro [2]. Estas se clasifican de acuerdo al siguiente cuadro sinóptico: -Resonancia y ferroresonancia. - Efecto ferranti. -Temporales

-Corto circuito. -Pérdida súbita de carga. -Conductores abiertos.

Tipos de Sobretensiones

- Maniobra de interruptores. -Transitorias

-Descargas atmosféricas.

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1.1.1 Sobretensiones de origen atmosférico. Este tipo de sobre tensiones son las que se han citado en el cuadro sinóptico anterior, por lo que como se sabe son producidas por la caída de un rayo, a su vez estas se clasifican en:

1.1.1.1 Sobretensiones conducidas. Son originadas por la caída de un rayo sobre una línea eléctrica originando impulsos de sobretensión que se dirigen hacia los extremos de la línea, como lo muestra la Fig. 1.1, en algunos casos se presentan en instalaciones eléctricas de baja tensión [2].

Fig. 1.1 Tension conducida [2].

1.1.1.2 Sobretensiones inducidas o radiadas. Son producidas cuando existe una caída indirecta del rayo, como lo muestra la Fig.1.2, el cual crea un campo magnético de gran longitud que produce sobretensiones en líneas cercanas a la caída del rayo e inclusive a varios kilómetros de distancia [2].

Fig. 1.2 Sobre tensión inducida o radiada [2]. 16

1.1.1.3 Sobretensión producida por la toma de tierra. La caída del rayo al suelo genera una corriente, la cual se propaga, esta propagación depende en gran medida del tipo de suelo, tal como lo muestra la Fig. 1.3; para aclarar este punto se pondrá el siguiente ejemplo: Se aprecia la caída de un rayo a tierra y un animal que se encuentra a 100 m de distancia del impacto, además una construcción que esta a escasos metros del impacto, si se toma en cuenta que el animal está caminando se tiene una diferencia de potencial entre dos puntos, estos puntos son las patas del animal, supóngase que la distancia entre las patas es de 1 m y en estas condiciones se genera una diferencia de potencial de 500 V entre las patas; así mismo si la corriente producida por el rayo es de 30 KA y una toma de tierra excelente de 2 Ω, entonces aplicando la ley de ohm con estos datos se tendra un incremento de tensión de 60 KV [2].

Fig. 1.3 Sobre tensión por la toma de tierra [2].

1.2 Proceso de carga y descarga de la nube. Las nubes de una tormenta eléctrica son generalmente de tipo cumulonimbo, esta se reconoce por su forma de yunque y el color obscuro de su base, como se muestra en la Fig. 1.4, esta se encuentra a 2 Km de altura con respecto al suelo y la cima a 12 Km. El desarrollo de la misma está condicionado por la elevación del aire caliente procedente del suelo; durante esta ascensión, la masa de aire se carga de humedad hasta formar a la nube [2].

Fig. 1.4 Muestra la formación de nubes de tormenta [2]. 17

1.2.1 Mecanismo de electrización. Se origina por las violentas corrientes ascendentes y descendentes que son características de estas nubes, al tomar una altura determinada se producen gotas de agua, algunas de ellas se convierten en cristales de hielo por las bajas temperaturas dentro de la nube; como las corrientes de aire son inestables, estas provocan que las partículas de agua y hielo choquen entre sí, creando cargas positivas y cargas negativas [2].

1.2.2 Inicio de la fase activa. Se genera cuando las cargas de signo opuesto se separan, como se aprecia en la Fig. 1.5; las cargas positivas compuestas de cristales de hielo se sitúan en la parte superior, mientras que las cargas negativas que comprenden a las gotas de agua se sitúan en la parte inferior de la nube, pasado esto la nube entra en una fase activa y los primeros rayos intranube aparecen [2].

Fig. 1.5 Inicio de electrificación de la nube tormenta e inicio de la fase activa [2].

1.2.3 Madurez de la fase activa. En esta etapa la nube forma un enorme condensador con el suelo, después de media hora de formación, se comienzan a generar los rayos intra nube y con descarga a tierra; las primeras lluvias comienzan aparecer, como se ve en la Fig. 1.6 [2].

Fig. 1.6 Madurez de la nube y la actividad que existe en la nube [2]. 18

1.2.4 Fin de la fase activa. En esta última fase la nube disminuye sus dimensiones mientras que las descargas atmosféricas se intensifican como lo presenta la Fig. 1.7, esto es acompañado por fuertes precipitaciones de granizo y ráfagas de viento; o también es conocida como la fase de hundimiento donde la nube descarga varias centenas de millares de agua [2].

Fig. 1.7 Hundimiento de la nube de tormenta o decrecimiento de la actividad de la nube [2].

La teoría descrita con anterioridad es la “Teoría de los cristales de hielo”, en el anexo se describen las diferentes teorías más aceptadas por la comunidad científica.

1.3 Forma de onda de la corriente del rayo. Como se sabe, no todas las descargas atmosféricas tienen la misma velocidad; sus amplitudes y formas varían estadísticamente, esto puede ser visto en la forma de onda de la corriente de retorno, que depende de la polaridad de la descarga atmosférica. En los rayos cuya polaridad es negativa, la forma de onda de la segunda descarga es diferente a la primera, presentando un frente más rápido y una duración más prolongada [21]. La Fig. 1.8 muestra la corriente de retorno, definida por Anderson y Eriksson, en donde se puede ver que T10 es el intervalo de tiempo entre el 10% y 90 % de la corriente pico y T30 es el intervalo de tiempo de entre el 30% y 90% de la corriente [21].

Fig. 1.8 Típica forma de onda de corriente de retorno del rayo [21].

19

De una manera más simple se puede utilizar una onda con una forma de onda de doble rampa, como lo muestra la Fig. 1.9. En este caso la expresión que sigue la corriente de retorno es la siguiente [21]:

i t = α1 t u t − α2 t − t f = i1 t + i2 t

𝛼1 =

I tf

;

𝛼=

2t h −t f 2t f t h −t f

I

(2.1)

(2.2)

Dónde: u (t),u(t − t f ) = Funcione escalón unidad. I= Intensidad pico de la onda de corriente del rayo (A). t f = Tiempo de frente de la onda de corriente del rayo (seg.). t h = Tiempo al valor medio de la intensidad pico del rayo (seg.).

Fig. 1.9 Onda de rayo en doble rampa.

1.4 Bases teóricas de las protecciones contra descargas eléctricas atmosféricas. Para la protección contra descargas atmosféricas se conocen dos principios básicos [5]. 

El principio de la jaula electrostática según Faraday.



El principio de Mástil según Franklin.

20

1.4.1 Jaula de Faraday. El principio de Faraday establece que “El material ó elemento encerrado dentro de un envolvente de un material conductor conectado a tierra, protege al elemento que está dentro de este material envolvente”, por lo que este queda libre de interferencias electromagnéticas y de cualquier fenómeno eléctrico, por intenso que sea tal como se observa en la Fig. 1.10 que muestra a un edificio envuelto por y una malla de conductores y aterrizado, [5]. El efecto esperado con esta protección, consiste en que las corrientes causadas por cargas electrostáticas externas, tenderán a circular por la periferia del material conductor sin producir daño alguno a los elementos que se encuentran dentro de este espacio [2].

Fig. 1.10 Imagen que muestra el principio de una jaula de Faraday [2].

1.4.2 Mástil de Franklin. El principio del mástil de Franklin establece que, “La distancia más cercana entre una carga estática de origen atmosférico residente en las nubes y la superficie terrestre será de manera indudable el punto más alto de una zona geográfica”; bajo este principio actúa un pararrayos, como el que es mostrado en la Fig. 1.11, el cual tiene la función de canalizar a tierra las descargas atmosféricas de una forma segura y sin generar ningún daño al el elemento a proteger [5].

Fig. 1.11 Imagen que muestra un pararrayos [2]. 21

Recientemente se ha aceptado la clasificación de dos sistemas de protección [5]: 

Sistemas Pasivos. Estos sistemas son los que están ubicados con relación al suelo y a la fuente de carga electrostática atmosférica, provocando una ionización en la punta de elemento protector, este tipo de elementos serán tratados en los capítulos subsiguientes con más detalle, además estos se clasifican en otros tipos como lo son: puntas de descargas convencionales, de punta múltiple, puntas con toroide, puntas elevadas macizas, hilos de guarda y elementos semejantes.



Sistemas activos. Son aquellos que generan una carga eléctrica y continuamente están bombardeando la atmósfera con iones, con esto se pretende repeler o neutralizar las cargas electrostáticas atmosféricas, en teoría provoca la cancelación de descargas o minimización de la energía descargada; durante algún tiempo se construyeron puntas con núcleo radioactivo, este se utilizaba como una fuente iónica, pero por el riesgo de radiación que presentaba, el mantenimiento y su potencial efecto contaminador actualmente están prohibidos; recientemente se han desarrollado elementos con partes piezoeléctricas, que por la sola agitación de corrientes de aire crean presiones internas, las cuales generan potenciales eléctricos, aunado a este efecto generador se aprovechó el principio de venturi para crear corrientes ascendentes de aire, con lo cual se ha logrado el bombardeo efectivo a la atmosfera.

22

CAPÍTULO II

CONCEPTOS DE UN SISTEMA DE PROTECCIÓN CONTRA RAYOS

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2. Conceptos de blindaje de equipos e instalaciones. En este capítulo se describirán los tipos de blindaje que pueden ser utilizados para el diseño de la protección, describiendo a los hilos guarda como un posible blindaje para los tanques de almacenamiento, una vez que este tipo de blindaje sea descrito, se describirán los pararrayos, desde los primeros empleados en la protección contra descargas atmosféricas, hasta los de última generación; además se describirá la norma UNE 21.186, la cual rige al cálculo, pruebas y instalación de los mismos.

2.1 Hilos de guarda. Cuando se habla de hilos de guarda, se refiere al nivel de protección de un sistema eléctrico de potencia contra las descargas eléctricas atmosféricas; estos hilos pueden ser de acero, son conectados a las puntas superiores de las torres de transmisión y estructuras de las subestaciones, quedando por encima de los conductores de fase, es decir son hilos soportados paralelamente a los conductores activos de la línea; dichos hilos sirven como una pantalla protectora impidiendo que los rayos incidan directamente sobre las fases y los equipos que estén dentro de su zona de protección [33].

2.2 Sistemas de pararrayos. Los rayos ocurren con diferentes intensidades, por lo que el sistema de pararrayos deberá proteger contra su efecto y este deberá ser diseñado tomando en cuenta los rayos promedio sobre un área en específico. Las descargas no pueden ser detenidas, pero la energía puede ser desviada en una forma segura y controlada [4]. Un sistema de protección contra descargas atmosféricas, debe [4]:   

Capturar el rayo en la zona escogida para tal propósito. Conducir la energía de la descarga a tierra, mediante un sistema de cables conductores de baja impedancia, transfiriendo la descarga hacia tierra. Disipar la energía en un sistema de terminales (electrodos) en tierra.

Como la tierra no tiene una resistividad uniforme en todos los puntos, en un sistema de electrodos múltiples conectados entre sí, a manera de malla, existe la probabilidad de que exista una diferencia de potencial entre algunos de sus puntos aterrizados [4]. El problema de la diferencia de potencial que se presenta entre electrodos se complica aún más cuando una nube cargada pasa por encima de la malla. Además, una descarga eléctrica que caiga cerca, causará grandes corrientes en la tierra, al fluir esta corriente por tierra, causará una diferencia de potencial entre los electrodos y esta diferencia de potencial, a su vez, causará que fluya corriente por los conductores de la malla. La inductancia de los conductores de cobre usados para tierras es de aproximadamente de 1.64 mH/m, por lo que a la frecuencia de los rayos, la impedancia debida a la 24

inductancia es muchas veces mayor que la impedancia debida a la resistencia del conductor. Además, estas señales de alta frecuencia no seguirán nunca una vuelta muy cerrada, que está presente en el conductor, porque cada doblez incrementa la reactancia inductiva. De ahí, que todos los cables de conexión a tierra de pararrayos deben tener curvas generosas en lugar de esquinas cerradas. Por ello, se recomiendan curvas con radio de unos 20 cm, y conductores múltiples conectados en paralelo a tierra [4]. En México existen algunas normas de cumplimiento obligatorio, como la NRF-070 de PEMEX y la NMX-J-549-ANCE, las cuales establecen que se debe de contar con protección contra descargas eléctricas atmosféricas, para algunos tipos de edificaciones principalmente donde existen materiales inflamables o explosivos, sin embargo estas normas no establecen un método en especifico así que queda ambigua la aplicación de un principio técnico. Cabe resaltar que en otros países con un grado de desarrollo tecnológico más avanzado si existe una reglamentación especifica de cumplimiento obligatorio [5]. Es opcional el emplear uno u otro método de protección, sin embargo, por seguridad es recomendable que cuando se instale un sistema de protección contra descargas eléctricas atmosféricas la selección no se basa en el costo de dichos sistemas (pararrayos y sistema de puesta a tierra) [5]. Por una cercanía geográfica que México tiene con Estados Unidos de Norteamérica (U.S.A), es fácil acceder a sus normatividades y una de ellas está relacionada con el estudio de este trabajo, es la publicación 780 de la N.F.P.A (National Fire Protection Association) denominada “Lightining Protection Code”. Esta norma técnica fue desarrollada desde 1904 y periódicamente actualizada, la cual aplica de manera simultánea los dos principios conocidos (Franklin y Faraday), estableciendo el uso de puntas de descarga para atracción de cargas electrostáticas y al mismo tiempo obliga a que se construya una malla formada de conductores en todo el contorno del elemento a proteger, también estableciendo los calibres mínimos de estos conductores, el espaciamiento mínimo entre ellos y la característica de los electrodos para el drene a tierra. Por lo que podemos decir que la normatividad americana se basa en los métodos pasivos, así como la combinación de principios de Franklin y de Faraday [5].

2.3 Definición de un sistema de pararrayos. Un pararrayos es un instrumento cuyo objetivo es atraer al rayo y canalizar la descarga eléctrica hacia tierra, este gran invento fue creado por Benjamín Franklin en 1753 mientras efectuaba una serie de experimentos sobre la propiedad que tienen las puntas agudas, por lo que el primer pararrayos se conoce como "Pararrayos Franklin" en un homenaje a su inventor [10]. Los sistemas de protección contra descargas atmosféricas (SPDA), son fundamentales para la seguridad de estructuras, además de que actúa indirectamente en la protección de las personas [9]. Esta protección es reglamentada por varias normas, una de ellas es la NORMA UNE 21.186 y la NFC-17 -102 que entre otras cosas se enfoca en la calidad de los materiales 25

empleados en su instalación, además de que prohíben metales ferrosos galvanizados electrolíticamente. En el caso de que este sistema este expuesto a ambientes agresivos, las normas exigen la utilización de metales nobles, descartando el uso del aluminio, en tanto que puede ser utilizado el cobre, esto por ser durable y resistente a la humedad [10]. Definido lo anterior, se citaran las características más importantes que deben cumplir estos sistemas [10]: 

La terminal aérea de un pararrayos debe superar como mínimo dos metros la máxima cota de la estructura a proteger.



El radio de cobertura será determinado por la longitud resultante desde la ubicación de la terminal aérea de capitación hasta el punto más desfavorable de la estructura a proteger, cumpliendo con margen de seguridad de +10% y en ningún caso el radio de protección debe superar 100 m.



Las bajantes de tierra serán lo más verticalmente posible, no efectuando curvas con radios no inferiores a 20 cm, ni con cambios de dirección con ángulos a 90º, por recomendación se hace referencia tener una segunda bajada a tierra para mejorar el índice de seguridad de la instalación.



La toma de tierra juega un valor importante en la instalación, ya que su resistencia óhmica debe ser lo más baja posible.

El mantenimiento de un sistema de protección contra el rayo debe consistir en una revisión periódica anual e inmediatamente después de que se tenga constancia de haber recibido una descarga eléctrica atmosférica. No se debe de olvidar, que estos trabajos periódicos conservan en perfecto estado la instalación y evita costos mayores de reparación [10].

2.4 Tipos de pararrayos. En la actualidad existen diversos tipos de pararrayos cada uno con sus características propias, su modo de funcionamiento así como su uso, en este punto se detallaran cuales fueron los primeros sistemas de protección y describirán los que actualmente son empleados [10].

2.4.1Pararrayos tipo Franklin. Es conocido como el primer pararrayos, está compuesto por una barra de hierro coronada con una punta de cobre o de platino colocada en la parte más alta de la estructura a proteger, este se muestra en la Fig. 2.1; la barra esta unida mediante un cable conectado a tierra [10].

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El principio de protección de este pararrayos es el de proteger una zona, las cual es igual a el radio de la altura del pararrayos, esta altura se toma desde el nivel del suelo hasta la punta [10]. Su principio de funcionamiento consiste en que durante la tormenta se generan campos eléctricos de alta tensión entre nube y tierra, estos campos producen cargas eléctricas, las cuales se concentran en las puntas más predominantes de este pararrayos, alrededor de la punta o electrodo aparece una ionización natural llamado efecto corona, resultado de la transferencia de energía, este primer pararrayos es el mostrado en la Fig. 2.1; este fenómeno es el principio de excitación para poder trazar un canal conductor que facilitara la descarga del rayo.

Fig. 2.1 Pararrayos tipo Franklin [11].

2.4.2 Pararrayos radioactivo. A diferencia del pararrayos tipo Franklin descrito anteriormente, el pararrayos radioactivo cubre un radio de protección de más de 100 m, como el mostrado en la Fig. 2.2, puesto que esta adicionado con sales radioactivas; de ahí que se nombrara de esta manera; el único inconveniente que se encontró en este tipo de pararrayos era que resultaba nocivo para la salud ya que en 1962 los científicos Muller Hillerban y H. Baatz, realizaron estudios a estos pararrayos y llegando a la conclusión, que en realidad no eran capaces de abarcar un radio de seguridad de más de 100 m, además de que representaban un riesgo de radiación; por esta razón a partir de 1985 se inicio el desmontaje de los mismos [12].

Fig. 2.2 Pararrayos radioactivo [11].

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2.4.3 Pararrayos con dispositivo de cebado (PDC). Después del rotundo fracaso de los pararrayos radioactivos, la comunidad científica se aboco al estudio de nuevas formas de protección contra las descargas eléctricas atmosféricas, una de la tecnologías desarrolladas a finales de los ochenta fue la de pararrayos con dispositivos que emitían un trazador ascendente, llamándolos pararrayos con dispositivo de cebado o PDC, mostrado en la Fig. 2.3 [12]. Este cuenta con un dispositivo de cebado, el cual genera un campo eléctrico artificial capaz de generar un trazador ascendente que es lanzado al exterior en busca de la descarga eléctrica atmosférica para atraerlo y derivarlo a tierra de manera segura; su fabricación, instalación y mantenimiento están regidos por la UNE 21-186 y la NFC 17102, entre otras normas internacionales [12]. Las principales caracteristicas de el PDC, se citan a continuacion[13]:        

Eje central y conjunto deflector fabricados en acero inoxidable. Conjunto excitador: resina epoxi. 100% de eficacia en descarga. Nivel de protección clasificado de muy alto. Garantía de continuidad eléctrica. No ofrece resistencia al paso de la descarga. Conserva todas sus propiedades técnicas iníciales después de cada descarga. Al no incorporar ningún elemento electrónico no es fundible. No precisa de fuente de alimentación externa.

Fig. 2.3 Pararrayos tipo CTS [13].

Los pararrayos PDC a su vez se subdividen en los siguientes [12]:   

Pararrayos Piezoeléctricos. Pararrayos Electrónicos Pararrayos PDC puros o mecánicos.

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2.4.3.1 Pararrayos piezoeléctricos. Estos pararrayos utilizan fuentes exteriores para producir el campo eléctrico, estas fuentes pueden ser paneles solares, baterías o cristales de cuarzo; el único inconveniente radica en que al colapsar la fuente exterior el pararrayos piezoeléctrico deja de activarse y por consiguiente deja de funcionar.

2.4.3.2 Pararrayos electrónicos. El dispositivo de cebado está compuesto por elementos electrónicos, además de que no necesita de una fuente exterior para activar su funcionamiento, ya que toma la alimentación de las cargas eléctricas de la propia nube. El único inconveniente radica en que cuando se produzca la descarga eléctrica atmosférica sobre este, esta deteriore el equipo electrónico.

2.4.3.3 Pararrayos PDC puros o mecánicos. Su dispositivo de cebado es forjado a través de las propias formas geométricas de su construcción de acero y la alimentación eléctrica proviene de las propias cargas eléctricas que generan las nubes. Los pararrayos del tipo PDC para ser considerados como tales deben contar mínimamente con un certificado de evaluación otorgado por laboratorio de alta tensión acreditado y los resultados deben acreditar su radio de protección.

2.4.4 Pararrayos desionisadores de carga electrostática (CTS). Este tipo de pararrayos incorpora un sistema de transferencia de carga, y se caracteriza por facilitar la transferencia de la carga electrostática entre la nube y tierra antes de que la descarga atmosférica se complete, esto se logra anulando el fenómeno de ionización o efecto corona de la tierra. El cabezal de este pararrayos está constituido por un par de electrodos de aluminio separados por un aislante dieléctrico, todo estos elementos soportado por un pequeño mástil de acero inoxidable [13].

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2.4.5 Pararrayos PDC-E. Este tipo de pararrayos es el resultado de la experiencia acumulada en el diseño y utilización de dispositivos de cebado como se muestra en la Fig. 2.5, ya que la emisión ascendente de partículas ionizantes producidas por este pararrayos mediante un dispositivo de cebado le permite capturar la descarga eléctrica atmosférica con mayor rapidez y a una mayor altura, con lo que es posible aumentar el radio de protección [14].

Fig. 2.5 Pararrayos PDC-E [14].

2.4.6 Pararrayos stream. A diferencia del pararrayos PDC-E mostrado en la Fig. 2.6, el pararrayos stream contiene un dispositivo de cebado de última generación, que reduce el tiempo de cebado, con esta reducción de cebado se obtiene un aumento en la velocidad y efectividad en la captura de la descarga eléctrica atmosférica, por consecuencia su radio de protección se amplía [14]. Su funcionamiento es activado cuando una tormenta eléctrica aumenta la intensidad el campo eléctrico que se forma entre nube-tierra, cuando esto sucede actúa el pararrayos stream acumulando la carga que se produce antes de la descarga atmosférica, esta energía es liberada en forma de impulsos de alta tensión que ioniza el aire que se encuentra alrededor del pararrayos, de esta forma se crea un trazador que dirige la descarga hacia el pararrayos [14]. Este dispositivo de cebado, es uno de los más eficientes que se encuentra hoy en día, ya que como se ha explicado el dispositivo de cebado produce descargas que ionizan el aire para la captura de la descarga, pero a diferencia de los demás dispositivos, este solo actúa en la presencia de una descarga atmosférica y no hace descargas en falso, en resumen actúa solo cuando el impacto de la descarga es directo [14]. Por último se debe agregar que este pararrayos no ofrece resistencia alguna al paso de la descarga y conserva todas sus propiedades técnicas iníciales después de cada impacto eléctrico [14].

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Fig. 2.6 Pararrayos Stream [14].

2.5 Sistemas no convencionales. Están dividíos en dos clases: Una clase se agrupa en esquemas de protección cuyo objetivo es el evitar la formación del rayo sobre la estructura o elemento a proteger, este tipo de protección actúa modificando las condiciones eléctricas de la nube o de la guía escalonada, de esta manera funcionan como “Eliminadores de rayos”. Son comercializados con el nombre de DAS (Dissipation Array System – Sistemas de Disipación) o también conocidos con el nombre de CTS (Charge Transfer System-Sistema de Transferencia de Carga) [16]. Otra clase se basa en captores tipo pararrayos verticales los cuales están equipados con un dispositivo que tiene la función de aumentar el área de protección, otra forma con los que son conocidos estos pararrayos, son con el nombre de ESE (Early Streamer Emission – Emision temprana de Trazador), en nuestro país son conocidos como PDC (Pararrayos con Dispositivo de Cebado), en ocasiones estos vienen con el nombre de PDA siglas en francés, debido a que en su mayoría estos dispositivos se han desarrollado en Francia [16]. Las propuestas antes vistas resultan atractivas para el diseño y su instalación, en particular los pararrayos PDC dan una protección efectiva aun cuando solo se unos pocos pararrayos de baja altura, simplificando el estudio y el diseño de la protección, particularmente para estructuras ya existentes y no protegidas. En lo subsiguiente se presentara para ambas clases el funcionamiento, un análisis de la teoría y resultados de estudios, experimentos y observaciones realizados por usuarios y por la comunidad científica [16].

31

2.6 Sistemas de transferencia de carga (CTS). Su función es la de modificar las condiciones eléctricas de la atmosfera sobre y en las proximidades de la zona a proteger de manera de evitar la descarga atmosférica o por lo menos reducir la probabilidad de su formación. Las descripciones de su funcionamiento dadas por los fabricantes se basan en el efecto corona, sin olvidar que es producido por irregularidades en el terreno y estructuras bajo un campo eléctrico, como el que es producido por una nube durante una tormenta eléctrica; su construcción emplea conductores de bajo diámetro, que van del orden de algunos milímetros cuyo extremo puede considerarse una punta, esto conductores son comunes en todas las construcciones propuestas anteriormente [16]. En resumen, se dice que [16]:    

Los sistemas de transferencia de carga o dispositivos no son capaces de evitar los rayos ni de desviarlos de las estructuras o sistemas a proteger. Con estos pararrayos no es posible neutralizar la nube ni la guía escalonada. Teóricamente pueden crear una disminución de los rayos iniciados desde la estructura (tierra-nube). Es totalmente inefectivo contra las descargas nube –tierra.

2.7 Dispositivos ESE (Early Streamer Emisión- Emisión Adelantada del Trazador). Este tipo de pararrayos también es conocido como PDC (Pararrayo con Dispositivo de Cebado), PDA (Paratonerre à Dispositif d´Amorçage) y/o también como pararrayos activos, aunque internacionalmente se les conoce como tipo ESE en nuestro caso los nombraremos PDC [16]. Este tipo de pararrayos difiere de los demás ya que como se ha visto anteriormente entre sus características principales, cuenta con puntas especiales capaces de generar un trazador ascendente antes que suceda la descarga a diferencia de los pararrayos convencionales, este trazador ascendente encontrara la guía escalonada a una distancia considerable, provocando que el área de protección aumente [16].

Su mecanismo de protección es el siguiente: Cuando al acercarse la guía escalonada de la descarga, la punta del dispositivo PDC inicia un trazador de manera ascendente en un cierto tiempo Δt en el orden de decenas de microsegundos, esta afirmación implica que este trazador, que consiste en una descarga capaz de propagarse con un campo eléctrico mucho menor que en el caso de una punta, en la tabla 2.1 se describe brevemente los niveles de protección de este pararrayos, como podemos observar nos proporciona el radio de la esfera o radio de protección, su corriente de pico, el tamaño de la malla (sistema de puesta a tierra) y por último la probabilidad de intercepción del rayo [16].

32

Tabla 2.1 Niveles de protección establecidos en la norma CEI 62305-3 [14].

Nivel de protección

Distancia de impacto/radio esfera.

Corriente de pico. ( Norma CEI )

Tamaño de malla para superficies planas.

Probabilidad de intercepción del rayo.

(m)

(KA)

(m)

(%)

I

20

2.9

5x5

99

II

30

5.4

10 x1 0

97

III

45

10.1

15 x15

91

IV

60

15.7

20 x 20

84

Una vez que se ha hecho una pequeña comparación entre los tipos de pararrayos, es posible determinar, que los pararrayos PDC son los más efectivos para emplear los como un blindaje efectivo.

2.8 Estudio previo de la protección contra el rayo. Para el diseño se deberá de realizar un estudio previo, en el cual se debe elegir el nivel de protección, el emplazamiento del o los PDC, el trazado de o de las bajantes, la ubicación y el tipo de tomas de tierra [26]. Se recomienda tener en cuenta la estructura desde el momento del diseño del sistema de protección contra el rayo, ya que de lo contrario su eficacia puede reducirse [26]. El estudio previo consta de dos partes [26]: 1. Estudio del riesgo de la caída de rayos y elección del nivel de protección. 2. Emplazamiento de los diferentes elementos de la instalación. El conjunto de información que compondrá a este estudio, será un documento descriptivo que contendrá lo siguiente [26]: 

Las dimensiones de la estructura (edificios, tanques, etc.).



La posición geográfica de la estructura: aislada, situada en la cima de una colina o en medio de otras construcciones que sean más altas, de la misma altura o más bajas.

33



La frecuencia de la ocupación de la estructura, englobando si los ocupantes están en movilidad o no.



El riesgo de pánico.



La dificultad del acceso.



La continuidad del servicio.



El contenido de la estructura: con presencia de seres humanos, de animales, materiales inflamables, equipos sensibles como ordenadores, equipos electrónicos, etc.



Los obstáculos cercanos que pudieran influir en el trayecto de la descarga, por ejemplo líneas aéreas, vallas metálicas, etc.



La naturaleza del ambiente, referido a que se trate de un ambiente salino, fabrica petroquímica, cementeras, etc.

2.8.1 Determinación del punto de impacto. El rayo surge en el seno de la nube de tormenta, y en primera instancia, antes de que surja la descarga se genera un trazador, el cual será una especie de camino que seguirá la descarga, este trazador es conocido como descendente el cual amplificara el campo eléctrico del suelo [26]. Para que surja una descarga se necesita la presencia de dos trazadores, uno descendente y un ascendente, este último surge a raíz de la presencia de una estructura o un objeto superior al nivel del suelo, en nuestro caso los PDC generan un trazador ascendente el cual se unirá al descendente de la nube, de esta manera la descarga será dirigida hacia el pararrayos, tal como lo muestra la Fig. 2.7 [26].

Fig. 2.7. Proceso de descarga hacia el PDC [26].

34

2.8.2 Velocidad de propagación de los trazadores o líderes. Recientes experimentos realizados, muestran que las velocidades medias de los trazadores (ascendentes y descendentes) son comparables durante la fase de aproximación; puesto que la relación entre las velocidades de dichos trazadores es entre 0.9 y 1.1 m/μs [26]. Los PDC tienen la ventaja de obtener una ganancia, puesto que esto se representa en longitud, es decir el PDC es capaz de generar un trazador con una mayor longitud que el trazador de la nube y de esta manera se tiene una mayor certeza de que la descarga será conducida hacia el PDC [26]. La ganancia de longitud del trazador ascendente ∆L es determinada por [26]:

∆L = v ∗ ∆t

(2.2)

Donde: ∆L= Longitud del trazador ascendente (m). V= Velocidad común, que por lo general es de 1 m/μs. ∆t = Tiempo del trazador (μs).

2.8.3 Zona de protección. Está delimitada por los radios de protección correspondientes a las diferentes alturas (h) consideradas y cuyo eje es el mismo que el del PDC, como lo muestra la Fig. 2.8 que muestra un edificio, el cual está siendo protegido por un PDC, además de que está formado por diferentes alturas y por lo tanto con diferentes radios de protección, así que todo este conjunto es conocido como zona de protección [26].

Fig. 2.8 Radios de protección [26].

35

Donde: hn = Es la altura de la punta del PDC, con relación al plano horizontal que pasa por el punto más alejado perteneciente al elemento a proteger (m). R pn = Es el radio de protección del PDC, para cada altura considerada (m).

2.8.4 Radio de protección. Este depende de la altura (h) del PDC en relación con la superficie a proteger, de su avance del cebado y del nivel de protección elegido, para calcular este radio de protección se utiliza la siguiente fórmula, la cual es apreciada de una manera grafica en la Fig. 2.9 [26]:

Rp =

2Dh − h2 + ∆L 2D + ∆L

(2.3)

En donde: 𝑅𝑝 = Radio de protección (m). h = Altura de la punta del PDC en relación a plano horizontal que pasa por el vértice del elemento a proteger (m). D= Nivel de protección: 20 m para el nivel I, 45 m para el nivel II, 60 m para el nivel III. Nota: también es conocida como distancia de cebado, y es calculada por la siguiente ecuación:

D = 10 x I2/3

(2.4)

Donde: I es la corriente pico de retorno. ∆L= Distancia de captación del rayo (Es decir la distancia recorrida por los iones hacia el rayo) ∆Lm = Vm/μs ∗ ∆t μs Donde ∆t μs es el avance en el cebado obtenido en las pruebas de evaluación [26]. Nota: La formula anterior es aplicable para alturas mayores a 5 m.

Fig. 2.9 Radio de protección de un PDC [26]. 36

Entendiendo los puntos anteriores se puede decir que es esencial tener en cuenta estos factores ya que el tipo de estructura, nos determinara que nivel de protección es el más esencial para realizar una evaluación de riesgo.

2.9 Guía de evaluación del riesgo de impacto de rayo y selección del nivel de protección. La guía de evaluación de riesgo de impacto permite efectuar un estudio, para evaluar el riesgo debido a la caída del rayo, además de determinar la protección más adecuada y el nivel de protección requerido [26]. Existen numerosos casos donde la protección contra el rayo es evidente como los son [26]:     

Cuando se encuentran agrupaciones numerosas de personas. Necesidades de continuidad de los servicios públicos o de producción. Zonas de gran necesidad de impacto. Estructuras muy altas o aisladas. Estructuras que contengan materiales explosivos o inflamables.

La situación de la estructura dentro de su entorno y su altura será considerada para el cálculo de riesgo de exposición [26]. En algunos casos los factores no podrán ser evaluados, por ejemplo el deseo de evitar el riesgo para la vida o de proveer una protección completa [26]. La selección del nivel de protección se basa en la frecuencia de impactos de rayo 𝐍𝐝 , o prevista sobre la estructura o la zona a proteger y la frecuencia anual aceptable de rayos 𝐍𝐜 establecida para esa zona [26].

37

La tabla 2.2 describe los efectos de la descarga en algunas estructuras [26]: Tabla 2.2 Efectos del rayo en diferentes estructuras [26]. Clasificación de las estructuras.

Tipo de estructura.

Granja

Teatros, Escuelas, Grandes superficies, Áreas deportivas. Estructuras Comunes Teatros, Escuelas, Grandes superficies, Áreas deportivas. Bancos, Compañías de seguros, Sociedades comerciales, Centros de Salud.

Industrias.

Museos.

Efectos del rayo.

Perforación de las instalaciones eléctricas, incendio y daños materiales que se limitan normalmente a los objetos próximos al punto de impacto ó de paso de la descarga. Riesgo de incendio y de chispas peligrosas. Riesgo de corte de corriente: muerte del ganado debido a la pérdida de control de ventilación y de la distribución de los alimentos; riesgo de tensión de paso. Riesgo de pánico y de fallo de las alarmas de incendio, causando retraso en la lucha contra el fuego. Como, los anteriores, más problemas con pacientes de cuidados intensivos y dificultad de auxilio en las personas impedidas. Efectos adicionales dependiendo del contenido de las fábricas. Perdidas irremplazables de patrimonio.

Esta guía propone una evaluación, tomando en cuenta el impacto del rayo y los siguientes factores [26]:     

Entorno del edificio. Naturaleza de la estructura o del edifico. Valor de su contenido. Ocupación humana y riesgo de pánico. Consecuencia que tendrán sobre el entorno de los daños del edifico.

38

2.9.1 Determinación de Frecuencia de impactos de rayo (𝐍𝐝 ) y frecuencia aceptable de rayos (𝐍𝐜 ). La densidad de impactos de rayo sobre el terreno (número de rayos por Km2 ), se determina mediante la utilización del nivel ceráunico local Nk : Ng = 0.02Nk1.67 , el cual se obtendrá mediante la tabla 2.3 [26]. Tabla. 2.3 Densidad de caída de rayos por 𝐊𝐦𝟐 [26]. Nk /año 2

5

10

15

20

25

30

35

40

45

0.3

0.9

1.8

3.0

4.3

5.8

7.6

9.5

11.5

Ng /Km ∗ año

La frecuencia aceptable de rayos (Nd ) de impactos directos de rayo sobre una estructura se evalúa mediante la siguiente ecuación [26]: Nd = Ng ∗ 1.1 ∗ Ae ∗ C1 ∗ 10−6 /año

(2.5)

Dónde: Ng = Es la densidad anual media de impactos de rayos en la región donde está situada la estructura. 1.1= Es el coeficiente de seguridad ligado a la evaluación de impactos. Ae = Es la superficie de captura equivalente a la estructura aislada (m2 ). C1 = Coeficiente relacionado con el entorno. Una vez establecido esto, se determina que la superficie de captura equivalente Ae es la superficie comprendida entre las líneas obtenidas por la intersección entre la superficie del suelo y una línea de pendiente 1:3 que pasa por el punto más alto de la estructura y de la vuelta a esta [26].

Por ejemplos si se trata de una estructura totalmente rectangular, con una longitud L, amplitud l y una altura H, la superficie de captura sería [26]:

Ae = L l + 6H L + 1 9πH2

(2.6)

39

Si en dado caso la estructura a proteger está situada cerca de otras estructuras, está aislada o rodeada de estructuras más altas o más bajas, se tomara el coeficiente relacionado con el entorno tomado de la tabla 2.4 [26]. Tabla. 2.4 Coeficiente 𝐂𝟏 [26]. Situación de la Estructura. Estructura situada en un espacio donde hay otras estructuras o arboles de la misma altura o más altos. Estructura rodeada de estructuras más bajas. Estructura aislada. Estructura aislada situada sobre una colina o promontorio.

𝐂𝟏 0.5 0.75 1 2

Los siguientes puntos situados deben tomarse en cuenta, como una observación [26]:  

Cuando la superficie de captura de una estructura cubre en su totalidad a otra estructura, esta última no se tomara en cuenta. Cuando existen varias estructuras, se tomara en cuenta una superficie de captura común, correspondiente a una sola superficie de captura [26].

En seguida se dan algunos ejemplos para el cálculo de la superficie de captura según la forma de la estructura. 1. Para un edificio rectangular la superficie de captura es, como lo muestra la Fig. 2.10 :

Ae = L(l)6H L + 1 + 9πH2

(2.7)

Donde: Ae = Área de captura. L= Largo de la estructura. H= Altura de la estructura.

Fig. 2.10 Estructura rectangular y sus dimensiones. 40

2. En el caso de que la estructura tenga un aparte prominente, como lo muestran la Fig. 2.11 y la Fig. 2.12.

Ae = 9πH2

(2.7)

Donde: Ae = Área de captura. H= Altura de la estructura.

Fig. 2.11 Estructura rectangular y sus dimensiones con una parte prominente.

Fig. 2.12 Estructura con un aparte prominente y sus dimensiones.

41

2.9.2 Frecuencia aceptable de rayos (𝐍𝐜 ) sobre una estructura. Los valores de Nc , son estimados a través del análisis de riesgo de daños teniendo en cuenta los siguientes factores [26]: 

El tipo de construcción.



El contenido de la estructura.



La ocupación de la estructura.



Las consecuencias sobre el terreno.

Con los puntos citados anteriormente, estos cuatro factores deben ser determinados por los coeficientes C2 , C3 , C4 y C5 , los cuales son evaluados con las tablas 2.5, 2.6, 2.7 y 2.8 [26]. Podemos definir a C como [26]: C = C2 ∗ C3 ∗ C4 ∗ C5

Nc =

(2.8)

3∗10 −3

(2.9)

C

Tabla. 2.5 Coeficiente de estructura 𝐂𝟐 [26]. Estructura.

Metal.

Comun.

Inflamable.

0.5

1

2

Comun

1

1

2.5

Infalamble

2

2.5

3

Metal

Tabla. 2.6 Contenido de estructura 𝐂𝟑 [26]. Contenido de la estructura. Sin valor o no inflamable. Valor común o normalmente inflamable Gran valor o particularmente inflamable. Valor excepcional, irremplazable o muy inflamable o muy inflamable o explosivo.

𝐂𝟑 0.5 2 5 10

42

Tabla 2.7 Ocupación de la Estructura 𝐂𝟒 [26].

Ocupación de la estructura. Sin ocupación alguna. Ocupada normalmente. De difícil evacuación o riesgo de pánico.

𝐂𝟒 0.5 3 7

Tabla 2.8 Consecuencia sobre el entorno (𝐂𝟓 ) [26]. Consecuencia sobre el entorno.

𝐂𝟓

Sin necesidad de continuidad en el servicio y alguna consecuencia sobre el entorno. Necesidad de continuidad en el servicio y alguna consecuencia sobre el entorno. Consecuencia para el entorno.

1

5 10

2.10 Método de selección del nivel de protección. Para seleccionar el nivel de protección se debe comparar el valor de frecuencia aceptable de rayos Nc con el valor de frecuencia esperada de rayos sobre la estructura Nd ; esta comparación permite decidir si es necesario emplear un sistema de protección contra el rayo, y si lo es, que nivel de protección es necesario emplear, por ejemplo [26]: 

Si Nd ≤ Nc , el sistema de protección no es necesario.



Si Nd ≥ Nc , debe ser instalado un sistema de protección y además que nivel de protección es necesario implementar, según la tabla 2.9.

43

En la tabla 2.9 se muestra los pasos a seguir para determinar si preciso efectuar el sistema de protección [26]. Tabla 2.9 Determinación de la necesidad y el nivel de protección [26]. Entradas de datos y formulas. Superficie de captura equivalente: Ae = L(l)6H L + 1 + 9πH 2

Cálculos. L= l= H= H2 =

Resultados. Ae

(En caso de un volumen paralepipédo) Frecuencia establecida de impactos directos sobre una estructura. Nd = Ng ∗ 1.1 ∗ Ae ∗ C1 ∗ 10−6 /año

Frecuencia establecida de impactos sobre una estructura. C = C2 ∗ C3 ∗ C4 ∗ C5 Nc =

= Ng Ac = C1 =

= C2 C3 = C4 =

Nd

Nc

3 ∗ 10−3 C

Si Nd ≤ Nc ; PROTECCIÓN OPCIONAL Si Nd > Nc , PROTECCIÓN NECESARIA. Determinar el nivel de protección requerido, calculando la eficiencia E= 1 −

Nc Nc

La tabla 2.10 muestra la comparación de la eficiencia calculada como lo estipula la norma UNE 21.186. Recordando que la eficiencia se calcula con la siguiente ecuación:

E=1−

Nc Nd

(2.10)

Donde: E= Eficiencia calculada. Nc = Frecuencia establecida de impactos sobre una estructura. Nd = Frecuencia establecida de impactos directos sobre una estructura.

44

Tabla 2.10 Determinación del nivel de protección [26]. E (Eficiencia calculada).

Nivel de protección correspondiente.

I (KA) Corriente de cresta máxima.

D (m) Distancia de cebado.

E > 0.98

Nivel I, más medidas complementarias.

-

-

0.95 < E ≤ 0.98

Nivel I

2.8

20

0.80 < E ≤ 0.95

Nivel II

9.5

45

0 < E ≤ 0.80

Nivel III

14.7

60

Descrito lo anterior, se debe de especificar a qué se refiere el nivel de protección; este es el grado de protección con el que debe contar la estructura, es decir que grado de seguridad se debe emplear. Nivel I: Es el nivel de máxima seguridad, se recomienda en zonas con alto número de impactos por año, zonas aisladas, etc. Nivel II: Se considera de alta seguridad, se recomienda para la protección de estructuras con una media densidad de impactos. Nivel III: Es considerado como un nivel de protección estándar, y es empleado en zonas con un bajo índice de impactos.

45

Todo lo establecido en puntos anteriores, conlleva al mapa ceráunico, que es el punto de partida, este mapa fue implementado hasta el final para que se pudiese comprender como es que, es utilizada la información de la densidad de las caídas de rayos en la republica mexicana, tal como lo muestra la Fig. 2.13 [26].

Fig. 2.13 Densidad de impactos de rayo, Ng , (impactos/año,Km2

)

46

CAPÍTULO III

PRINCIPIOS y FUNDAMENTOS DE UN SISTEMA DE PUESTA A TIERRA

47

3. Principios y fundamentos de un sistema de puesta a tierra. El vertiginoso desarrollo de la electricidad y la electrónica han generado como consecuencia la necesidad de proteger todos los sistemas eléctricos y electrónicos contra fenómenos naturales como lo son las descargas eléctricas (rayo) o los creados por el hombre, los cortos circuitos [6]. La instalación de un “Sistema de Puesta a Tierra”, requiere de un minucioso estudio, el cual comprende los métodos de su diseño, las condiciones geológicas y meteorológicas del sitio; pero sobre todo el respaldo técnico y científico de la actualidad, esto complementado con las guías y recomendaciones prácticas de normas vigentes emitidas por instituciones con credibilidad y trayectorias reconocidas [6].

3.1 Sistema de puesta a tierra. Se puede decir que un sistema de puesta a tierra es el aterrizamiento físico o la conexión de un equipo a través de un conductor hacia tierra; en tanto se sabe que la tierra está compuesta por diversos materiales, los cuales pueden ser buenos o malos conductores esto dependerá del tipo de suelo, al potencial de la tierra se le asume un valor de cero. La resistencia de la tierra es la resistencia del suelo al flujo de la corriente, esta es medida en Ω-m. Teóricamente, puede ser calculada usando la formula general [6]:

R=ρ

L A

(3.1)

Donde: R= Resistencia (Ω). 𝜌 =Resistividad de la tierra (Ω– m). L = Longitud de tramo conductivo (m). A = Sección transversal del área de la trayectoria (m2 ). También se deben considerar tanto la temperatura como la humedad del suelo, puesto que estos valores pueden afectar la resistividad del suelo [6]. Otro factor que interviene en la resistividad del suelo, son la acumulación de sales; en general entre mayor cantidad de sales o electrolitos contenga el suelo menor será su resistencia [6].

3.2 Objetivo de un sistema de puesta a tierra. Un sistema de puesta a tierra tiene como objetivos principales la protección contra [5]: 

Fenómenos naturales tales como descargas eléctricas atmosféricas (rayos) además de proveer un medio seguro para drenar a tierra corrientes eléctricas bajo condiciones anormales y de falla sin exceder los límites de las corrientes de

48

operación y del equipo o afectar la integridad física de las personas, y la continuidad del servicio. 

Potenciales externos, como lo son fallas en los sistemas eléctricos, conexiones auxiliares a tierra en sistemas de seguridad de operación instantánea, en sistemas de relevadores de protección de fuerza, así como proveer caminos adicionales a las corrientes de falla drenándolas a tierra rápidamente.

Una vez especificado los objetivos principales del sistema de puesta tierra se puede determinar que este sistema comprende todas las instalaciones de tierra interconectadas dentro de un área específica y consiste de dos elementos básicos [5]: 

Uno o varios electrodos de tierra según la definición de la IEEE 80-2000, “Un conductor enterrado que se usa para conducir y disipar las corrientes de tierra, dentro de la tierra física”.



Un conductor eléctrico con baja impedancia, para formar un “anillo”, o una “red” para rodear el perímetro de un área en específico, con el fin de reducir la resistencia de puesta a tierra.

Dentro de los requisitos básicos de diseño las normas IEEE 80-2000, ya la NRF-070PEMEX-2004 recomiendan que cada elemento del sistema, incluyendo los conductores de la red, las conexiones, las terminales, los electrodos de tierra, deben de ser diseñados de acuerdo al tiempo de vida de la instalación. En la sección 14.5 de la Norma IEEE 80-2000, se recomienda el uso de electrodos químicos que consisten en un tubo de cobre relleno de una sal metálica, acondicionando el suelo alrededor del electrodo como la mejor solución para obtener una baja impedancia en la tierra y además da como resultado un electrodo de larga duración [5]. Un adecuado diseño y una buena operación de un sistema de puesta a tierra son fundamentales para dar un gran margen de seguridad y una buena operación en cualquier instalación comercial o industrial, lo anterior es por las siguientes razones [5]:     

Seguridad personal. Una operación adecuada del equipo de protección contra descargas eléctricas atmosféricas y eventos eléctricos transitorios derivados de las mismas. Proporcionar un camino de baja impedancia en los circuitos de falla, para drenar las corrientes de falla a tierra rápidamente. Una operación adecuada de los sistemas de comunicación, el equipo de cómputo y los equipos electrónicos más vulnerables. Ofrecer una referencia común a tierra para toda la instalación.

49

3.3 Características del suelo. El suelo está compuesto de diversos componentes los cuales determinan su resistividad, por lo que cuando se tiene un alta resistividad, se tiende a tener un mal conductor y un buen aislante [23]. La resistividad de un terreno puede ser variante, ya que esta depende del tipo de suelo y la época del año en que se encuentre, un ejemplo claro es la ciudad de México que está compuesto por un suelo heterogéneo, puesto que existen zonas de roca volcánica en el sur, roca en el norte, tepetate y arena en el poniente; arrojando un panorama un tanto complejo para un buen diseño [23].

3.4 Resistividad del suelo. La resistividad del suelo está en función de las características del mismo, además de las dimensiones y formas de los electrodos, una forma de definir a la resistividad del suelo es como: “La resistencia de un volumen que tenga un área con sección transversal y longitud unitaria”, como se aprecia en la Fig. 3.1 [24].

Donde: 𝜌= Resistividad de suelo Ω − m . L = Longitud de tramo conductivo (m) A = Sección transversal del área de la trayectoria (m2 ) Fig. 3.1 Diagrama que simplifica el concepto de resistividad [24].

50

3.5 Factores que modifican la resistividad del suelo. La conductividad del suelo es muy baja comparada con los metales, porque en general la superficie terrestre está compuesta de oxido de silicio y oxido de aluminio, haciendo que esta sea un buen aislante, en tanto la conductividad del suelo se debe en gran medida a las sales y la humedad contenida en esos aislantes [24]. No obstante en estas condiciones el suelo puede conducir una corriente considerable, esto es posible ya que la sección transversal del suelo es bastante grande y por lo tanto se puede decir que no presenta limitaciones. Todo aquello puede hacer la resistividad sea variable de un lugar otro, inclusive en un mismo sitio; en general los factores que nos llevan a tener estas variaciones son los siguientes [24]: 

La Composición.



El estado Higrométrico: Es la humedad relativa del aire [24].



La Granulometría: Es la medición de los granos en una formación sedimentaria, el cálculo y tamaños previstos medidos por una escala granulométrica. Para cuestiones de resistividad, es de gran importancia obtener las características higroscópicas (absorción y retención de agua) de los granos en cuestión [24].



La Compactación: Es un proceso artificial por medio del cual las partículas del suelo son obligadas a estar en contacto unas con otras, mediante una reducción de espaciamiento, empleando medios mecánicos. El grado de compactación altera el valor de la resistividad, esto debido a la compactación, puesto que cuando esta es grande la resistividad disminuye [24].



La Temperatura: La resistividad del terreno aumenta al disminuir la temperatura, como lo muestra la Fig. 3.2 [24].

Fig. 3.2 Resistividad del suelo en función de la temperatura [24]. 51



Salinidad: Estas es una forma soluble pueden disminuir la resistividad del suelo cuando estas se encuentran en gran cantidad o dicho de otra manera cuando aumenta la salinidad del terreno, una forma de entender esto es viendo detenidamente la Fig. 3.3 y la Fig. 3.4 que muestra la resistividad del suelo en función del tipo de sal [24].

Fig. 3.3 Resistividad el suelo en función del porcentaje de sales disueltas [24].

Fig. 3.4 Resistividad del suelo en función del tipo de sal [24]. 52



La Humedad: Esta juega un papel de suma importancia porque entre menos agua se tenga en el terreno mayor será la resistividad del mismo, como lo muestra la Fig. 3.5, la grafica en color rojo que representa al terreno superficial con muy poco porcentaje de humedad, que a diferencia de la grafica en color verde esta contiene un grado mayor de humedad lo cual reduce su resistividad [24].

Fig. 3.5 Resistividad en función de la humedad [24].



Estratificación del Suelo: Son los cambios transversales y longitudinales de resistividad en un mismo volumen de terreno. No obstante debemos decir que la composición de un mismo lugar en un terreno es heterogénea, debido a que puede estar compuesto por diferentes capas, bolsas, sedimentos, etc., esto tanto horizontal como verticalmente, una forma de representar esto es con la Fig. 3.6 en donde se observa que en un mismo volumen de terreno se pueden encontrar diferentes resistividades, por lo tanto se puede decir que la estratificación es: “La disposición en capas verticales y horizontales de las rocas sedimentarias” [24].

Fig. 3.6 Estratificación del suelo [24].

En conclusión la resistividad del suelo está en función de la forma en que está compuesto, y el único camino legible para conocer su valor, es mediante los métodos de medición, que permitirá conocer su magnitud en cada caso.

53

3.6 Métodos utilizados para la medición de la resistividad del suelo. El valor obtenido en las mediciones del suelo, son valores de resistividad aparente, esto debido a que siempre se puede calcular, ya que es posible conocer el lugar de los electrodos de prueba, la tensión y la corriente de aplicación [24]. Aunque no se debe de olvidar que el terreno no tiene una resistividad constante, ya que esta varía con la trayectoria vertical y horizontal, de este modo la resistividad calculada no es tomada como la real sino más bien como una aparente [24]. En tanto que las mediciones que se realicen deben incluir los datos sobre la temperatura, contenido de humedad, salinidad del terreno, tipo de terreno, profundidad, contenido de humedad; en la tabla 3.1 se muestra la resistividad promedio con respecto al tipo de tierra y en la tabla 3.2 la resistividad en función de la naturaleza del suelo, estas tablas darán una idea de que efectivamente la resistividad de un terreno es aparente, puesto que en su mayoría es homogéneo [23]. Tabla. 3.1 Resistividad Promedio [23]. Tipo de Tierra.

Resistividad Promedio 𝛀 − 𝐦 .

Tierra orgánica mojada

10

Tierra húmeda

1,000

Tierra seca

10,000

Roca

100,000 Tabla. 3.2 Naturaleza del suelo [23]. Naturaleza del suelo.

Terrenos pantanosos Terreno húmedo o suelo orgánico Terreno de cultivo o arcilloso Tierra arenosa húmeda Tierra arenosa seca Tierra con guijarros y cemento Roca cristalina Arena y grava Roca porosa Suelo rocoso húmedo Granito, basalto, etc. Roca compactada Limo Humus Turba húmeda Arcilla plástica Marga y arcillas compactadas

Resistividad promedio. 𝛀 − 𝐦 . 30 10-50 50-100 100-200 200-1000 200-1000 50-500 50-1000 20-2000 2000-3000 1000 1000 20-100 10-150 5-100 50 100-200 54

Las mediciones que se realicen permitirán establecer una representación del suelo a través de un modelo homogéneo, por lo que dichas mediciones deberán realizarse en varios puntos ubicados en el terreno [23].

3.6.1 Método Wenner o método de los cuatro puntos. Fue desarrollado como su nombre lo indica por Frank Wenner, este método suele ser utilizado cuando por lo general se cuenta con un suelo homogéneo, es decir de una sola capa, y en el cual se pueden obtener mediciones constantes con separaciones diferentes en los electrodos, en cambio si se trata de un suelo heterogéneo las mediciones variaran en función del espaciamiento entre electrodos; por lo tanto este método es empleado para medir la resistividad promedio del terreno [23].

3.6.1.1 Principios del método Wenner. El método Wenner o también llamado método de los cuatro electrodos, es uno de los más utilizados en la actualidad, este consiste básicamente en enterrar cuatro electrodos en el suelo, en una línea recta, a una igual distancia A de separación y enterrados a una profundidad B. Se mide la tensión P-P entre los electrodos internos y se divide entre la corriente C que fluye a través de los dos electrodos externos, de esta manera se obtiene un valor de resistencia mutua R en ohms, este arreglo puede ser apreciado en la Fig. 3.7 y 3.8 [24].

Fig. 3.7 Medición de la resistividad aparente utilizando el método Wenner [24].

Fig. 3.8 Esquema que muestra la medición por el método Wenner [24]. 55

En donde [24]: A= Separación de varillas adyacentes (m). B= Profundidad de los electrodos (m). C= Electrodo de corriente. P= Electrodo de potencial.

3.6.1.2 Equipo y material empleado. a) Equipo contrastado de medición de resistencia a tierra [25]. b) Electrodos originales que viene junto con el quipo de medición, generalmente fabricados de acero templado o acero inoxidable con un diámetro de 0.475 a 0.6354 cm y con longitudes de 30 a 60 cm, los electrodos deben estar construidos con una manija y una terminal para conectar el cable [25]. c) Un cable de cobre con un aislamiento de 600 V, de 0.8236-03259 mm2 [25]. d) Marro para clavar los electrodos [25]. e) Guantes de cuero [25].

3.6.1.3 Procedimiento de la medición. Se hace circular una corriente de baja frecuencia por lo electrodos laterales o de corriente (C), y por medio de un voltmetro de alta impedancia que está conectado entre los electrodos centrales (P) se mide la caída de potencial [23]. Una vez que se han obtenido estas mediciones, se calcula la resistencia (R) con la relación de tensión y corriente; ya obtenido este valor se procede a emplear la ecuación 3.2, para obtener el valor de la resistividad del terreno [24]. Aunque se debe aclarar que la siguiente expresión puede utilizarse siempre y cuando la relación entre A/B sea menor a 20 [23].

ρ=

4πAR 1+

2A − A2 + 4B2

A A2 − B2

(3.2)

En donde: ρ = Resistividad de terreno (Ω-m). A= Separación de varillas adyacentes (m). 56

B= Profundidad de los electrodos (m). R= Resistencia medida (Ω). Si fuese el caso en que B fuera mayor que A, es decir que la profundidad fuese mayor que la separación entre electrodos se emplearía la siguiente ecuación [23]:

ρ = 4πAR

(3.3)

Y si se dan las circunstancias en que B fuese menor que A, se emplearía la siguiente ecuación [23]:

ρ = 2πAR

(3.4)

Las lecturas que se obtienen pueden ser graficadas en función de su espaciamiento, es decir 𝐁 vs A, esto permitirá determinar que en dado caso se tendrá un terreno compuesto por varias capas; aunque debe resaltarse que las mediciones se deben realizar de preferencia en temporada de sequia [23]. En el caso de que se conozca el área que ocupara el sistema de puesta atierra, las mediciones deben hacerse en dirección con las cuatro esquinas del terreno, esto a partir del centro asía fuera, con una separación A de 3 a 5 m, dependiendo de la profundidad que requieran los electrodos [23]. Las distancias A recomendada entre los electrodos son de: 1.6, 3.2, 4.8, 6.4, 8.0, 9.6, y 11.2 m [24].

3.6.2 Método de Schlumberger. En el método de Wenner se tomaba en cuenta la caída de tensión en los electrodos interiores, sin embrago si se tuviese una distancia considerable entre dichos electrodos, la magnitud de tensión tiende a un decremento [23], por el gran espaciamiento que existe; lo cual trae como consecuencia una gran inexactitud en la medición de la resistividad del terreno [24]. A diferencia del método antes mencionado, el método de Schlumberger permite medir la resistividad del terreno con espaciamientos mayores entre electrodos [23], como se puede ver en la Fig. 3.9.

Fig. 3.9 Principio de medición de resistividad aparente del terreno, empleando el método Schlumberger [24]. 57

En este método los electrodos de potencial (P), se localizan lo más cerca posible de los electrodos de corriente (C), de este manera se incrementa tensión medida [23]. Si se considera que la profundidad (B) es menor en comparación con la separación entre ellos la resistividad puede ser calculada por la ecuación (3.5) [23].

ρs =

πRc c + d d

(3.5)

Donde [23]:

𝜌𝑠 = Resistividad aparente del suelo (Ω-m). c= Distancia entre electrodos de corriente y potencial (m). d= Distancia entre electrodos de tensión (m). R= Resistencia medida del terreno (Ω). A continuación se muestra una tabla con valores típicos de resistividad. Tabla 3.3 Valores de resistividad para varios tipos de suelo y agua [24]. Tipo de suelo o agua.

Resistividad (𝛀 − 𝐦).

Limites (𝛀 − 𝐦).

Agua de mar Arcilla Lodos Arcilla y mezclas de arenas Piedra arenisca y esquisto Turba, marga con barro Agua dulce Arena Grava morena Grava volcánica Granito solido hielo

2 40 50 100 120 150 250 2000 3000 15000 25000 100,000

0.1 - 10 8 - 70 10 - 150 4 - 300 10 - 100 5 - 250 100 - 400 200 - 3000 40 -10,000 300 – 30,000 10,000 – 50,000 10,000 – 100,000

En conclusión con este método las variaciones de resistividad debidas a la composición del terreno, se reducen considerablemente y se obtiene una mayor precisión en longitudes de medición considerables.

58

3.6.3 Método de los tres puntos o caída de tensión. Consiste en hacer circular una corriente de valor conocido entre dos electrodos fijos, uno que será auxiliar de corriente (C2 ) y otro de prueba (C1 ), con el objetivo de medir la caída de tensión. Este método permite variar la profundidad de un tercer electrodo denominado electrodo de prueba (P2 ), el cual se considera como una parte integral del sistema de puesta a tierra [23]. El electrodo auxiliar (P2 ) que se menciono anteriormente, está ubicado entre los dos electrodos auxiliares (C2 y C1 ), con el objetivo de que este será desplazado a lo largo del espacio que existe entre ellos, esto para obtener diversas lecturas, como se puede apreciar en la Fig. 3.10 [23]:

Fig. 3.10 Método de caída de tensión. Debemos aclarar que los electrodos auxiliares deben ser enterrados a poca profundidad de forma radial a partir del electrodo de prueba [24]. Este método consiste en graficar la relación V/I=R, como una función de la variación de la distancia X. Como se menciono con anterioridad el electrodo auxiliar de tensión se mueve a lo largo del espacio que existe entre los electrodos auxiliarles (C2 y C1 ) con incrementos de 10% de la distancia, de esta manera se obtiene el valor de la resistencia para cada incremento [24]. Una vez visto esto si se considera un suelo uniforme, se recomienda localizar el electrodo de tensión (P2 ) a 62 % de distancia entre C2 y C1 . Este procedimiento es muy preciso, pero el único inconveniente que tiene es que solo es aplicable para suelos uniformes [23]. La resistividad del terreno puede ser obtenida por la siguiente expresión [23]:

ρc =

2 π Le R 4 Le ln −1 re

(3.6)

59

Donde:

ρc = Resistividad aparente del suelo (Ω-m). Le = longitud del electrodo bajo prueba (m). R= Resistencia medida del terreno (Ω-m).

re = Radio de la sección transversal del electrodo bajo prueba (m). En conclusión este método es de gran ayuda para determinar las variaciones de la resistividad del terreno, debido a que se pueden graficar las longitudes del electrodo de prueba vs la resistividad del terreno, como lo muestra la Fig. 3.11 [23].

Fig. 3.11 Curva típica de resistencia tierra [24].

Todos los métodos que se mencionaron con anterioridad, son formas de cómo puede ser medida la resistividad de un terreno y a continuación se explicaran los métodos que existen para disminuir dicha resistividad.

3.7 Compuestos químicos para la resistividad del suelo. En ocasiones se pueden tener valores altos en la resistividad del suelo, en este caso pueden ser empleados combinaciones de materiales tales como: bentonita (arcilla), gel (solución salina), resinas sintéticas, mezclas químicas especiales compuestas a base de sodio, sulfato de cobre, sulfato de magnesio, cloruro de calcio, silicatos, carbón mineral tipo coke, grafito y yeso, los cuales son colocados alrededor de los electrodos [23]. Por otro lado se debe tener en cuenta que algunos de estos elementos pueden corroer o sulfatar a los electrodos, debido a sus propiedades químicas y físicas, generando como consecuencia un incremento en la resistencia del terreno, por lo que se recomienda [23]: 

No emplear carbón mineral sin molerse.

60



No aplicar carbón mineral tipo coke como único material de relleno, debido a que no posee ningún aglutínante.



No emplear sal ya que corroerá los electrodos.



No utilizar recortes metálicos o rebabas, puesto que acelera la oxidación y la degradación de los electrodos.

Los materiales anteriormente descritos retardan la evaporación de la humedad del suelo, permitiendo conservar la resistividad del terreno [23]. Para poder elegir el tipo de tratamiento químico se deben considerar los siguientes factores [23]: 

Porcentaje de reducción inicial en la resistividad del suelo.



Tiempo de vida útil, considerando al elemento y del sistema de puesta a tierra.



Facilidad de reactivación.



Estabilidad (mantener la misma resistencia durante varios años).

Una vez que se ha elegido adecuadamente el tratamiento químico, este debe tener las siguientes características [23]: 

Los compuestos no deben ser corrosivos.



Deben ser químicamente estables en el suelo.



Alta conductividad.

3.7.1 Tratamientos para la reducción de la resistividad del suelo. Existen diversos tipos de tratamientos químicos para reducir la resistencia del suelo, los comúnmente empelados son [23]: 

Cloruro de sodio más carbón vegetal.



Bentonita.

3.7.1.1 Cloruro de sodio más carbón vegetal. Esta solución salina tiene una elevada actividad corrosiva sobre los electrodos, para evitar este problema se disuelve con agua, sin embargo es cierto que al circular una corriente eléctrica se da la formación de una celda electrolítica provocando el desprendimiento de cloro y la formación de hidróxido de sodio, favoreciendo la corrosión, por lo tanto de aquí que se debe mezclar con carbón vegetal molido, ya que 61

este tiene la capacidad de absorber la humedad y de esa manera no es posible la formación de la celda electrolítica, dando como resultado un buen aislante [23].

3.7.1.2 Bentonita Las bentonitas son pertenecientes a un grupo de sustancias minerales arcillosas, aun cuando estas difieren en sus propiedades químicas, se clasifican en dos grupos [23]: Bentonita Sódica: En las que el ion Sodio es permutable, y además tiene la peculiaridad de alcanzar 15 veces su propio volumen y 5 veces su peso [23]. Bentonita Cálcica: En esta el ion Calcio es permutable, por lo tanto tiene una menor capacidad para absorber el agua y por consiguiente solo aumenta su volumen como una arcilla normal [23]. El uso de magnesio, cloruro de calcio y sulfatos de cobre, incrementan la resistividad del suelo que rodea a los electrodos; la bentonita a diferencia de las sales no es corrosiva, además tiene una resistividad de 2.5 Ω/m y debido a su naturaleza higroscópica, permite conservar la humedad que hay en el terreno [23]. Ya que se han visto algunos aspectos básicos de un sistema de puesta a tierra y lo relacionado con las características que debe de tener el terreno, se da paso a definir los criterios de tensión de seguridad.

3.8 Criterios de tensión de seguridad. Para el caso del diseño del sistema de protección contra descargas eléctricas atmosféricas, se tomaran los criterios que se dan en la planificación y estudio de un sistema de puesta a tierra para subestaciones, puesto que se debe recordar que la subestaciones están blindadas con pararrayos o bayonetas y aterrizadas a tierra, al igual que los tanques están en la intemperie, por lo tanto de esta manera a continuación se definen los limites de tensión en un circuito accidental [23].

3.8.1 Tensión de paso. Se define como la diferencia de potencial que se ejerce entre los pies de una persona con una separación de 1m, cuando esta se encuentra caminando en el área de una subestación al ocurrir una falla [23]. Dicho de otra manera la tensión de paso es la que se presenta entre dos puntos separados a un metro sobre la superficie del suelo, en caso de presentarse una falla [23]. 62

La Fig. 3.11 muestra claramente la corriente de falla que es descargada a tierra, en la cual se puede ver que la IB fluye desde el punto F1 en el que pisa unos de los pies de una persona, al caminar por una subestación, esta corriente circula hasta el punto F2 en el cual se encuentra su otro pie [24].

Fig. 3.11 Tensión de paso [24].

Otra forma de representar estas dos terminales (F1 y F2 ) es con el teorema de Thevenín mostrado en la ecuación 3.7 y ejemplificada en la Fig. 3.11 y la Fig. 3.12, donde Vth es la tensión entre dichas terminales cuando la persona no está presente en ese punto; la Zth es la impedancia del sistema vista desde los puntos F1 y F2 con las fuentes de tensión en corto circuito, por lo tanto la IB es la que circula por la persona [23].

IB =

Vth Zth + RB

(3.7)

Donde: Vth = Tension de Thevenín (V). Zth = Impedancia de Thevenín Ω . RB = Resistencia del cuerpo huamno Ω , normalmente este valor es de 1000 Ω. IB = Corriente que fluye por el cuerpo humano A .

63

Fig. 3.12 Circuito de tensión de paso [24].

En tanto que la Zth del circuito formado con la tensión de paso es [23]:

Zth = Rs

(3.8)

Rs = 2Rf

(3.9)

Donde: Rs = Resistencia de contacto con el suelo de los dos pies en serie Ω . Rf = Resistencia de contacto de un solo pie Ω .

Nótese que la resistencia del pie no es la es la resistencia de la persona, es la resistencia de la tierra debajo del pie [22]. Sustituyendo la ecuación 3.9 en la ecuación 3.7, se obtiene la ecuación de tensión de paso, que es:

Epaso = IB 2Rs + RB

(3.10)

Si se toma en cuenta la consideración que se indica en la importancia de la malla sobre el pie humano y lo referente a la capa superficial, se puede decir que la impedancia equivalente de Thevenín del circuito formado accidentalmente con la tensión de paso es [23]:

Zth = 6 Cs ρs

(3.11)

En donde Cs es un factor correctivo, que es empleado para calcular la resistencia efectiva de los pies en presencia de un grosor finito de material superficial, hs [24]. Este factor se da por que el material superficial servirá como un aislante, el cual permite

64

elevar la resistencia a tierra de la persona que camina por esa área, los valores de los materiales se dan en la tabla 3.3 y cuenta con las siguientes ventajas [23]:    

Esta capa brinda una alta resistividad. Evita que se formen charcos de aceite, por fugas en equipos de potencia. Limita el crecimiento de pasto y maleza. Mantiene la humedad en el terreno.

En resumen la ecuación de corrección es [24]:

Cs = 1 −

ρ 0.09 1 − ρ s 2(hs ) + 0.09

(3.12)

Donde [23]: ρ= Resistividad del suelo debajo del material superficial Ω − m . ρs = Resistividad del material de la capa superficial Ω − m . Cs = Factor que relaciona el valor de la resistividad de la capa superficial ρs , con el valor de la resistividad del terreno ρ. hs = Espesor del material de la capa superficial (m). Para dar una idea de cómo es que se encuentra la capa de material sobre el terreno, la Fig. 3.13 muestra el corte del suelo.

Fig. 3.13 Corte que muestra la capa de material superficial usada para incrementar la resistencia de contacto entre los pies de la persona y el suelo [24].

65

Tabla 3.3 Valores de Resistividad de Aislantes [23]. Material.

Resistividad a 20 ºC 𝛀 − 𝐦 . 5x1014 1x1014 2x105 a 2x1014 75x1016 1x1013 a 2x1016 1x108 a 2x1011 1x1011 a 2x1015 1x1010 a 2x1014 3x103 25x103 15x103 5x103 3x103 1190

Ámbar Azufre Baquelita Cuarzo (fundido) Ebonita Madera Mica Vidrio Graba de galeana (metal negro) Granito gneis Grava bolder Piedra caliza Grava moran Roca base dura

Analizando lo anterior se puede establecer que para una persona con un peso promedio de 70 Kg la tensión de paso sería [23]: Epaso 70 Kg = 1000 + 6 Cs ρs

∗

0.157 ts

(3.13)

Algo similar seria para una persona con un peso de 50 Kg, en este caso la ecuación seria [24]: Epaso 50 Kg = 1000 + 6 Cs ρs

∗

0.116 ts

(3.14)

Donde: ρs = Resistividad del material de la capa superficial Ω − m . Cs = Factor que relaciona el valor de la resistividad de la capa superficial ρs , con el valor de la resistividad del terreno ρ. ts = Duración de la exposición al flujo de corriente (segundos).

66

3.8.2 Tensión de contacto. Es la máxima diferencia de potencial entre los pies de una persona que se encuentra parada en el área de una subestación y el punto de contacto con una o ambas manos al tocar una estructura metálica al ocurrir una falla, esto puede ser apreciado en la Fig. 3.14 [27].

Fig. 3.14 Tensión de toque [24].

En la figura anterior se puede observar que una If de falla, la cual es conducida hacia tierra a través del sistema de puesta a tierra de la subestación y a la persona que hace contacto con la estructura en un punto H [24]. Esto es representado en la Fig. 3.15, en donde la terminal H es un punto de contacto que esta al mismo potencial de la red y por el cual fluye la corriente de falla, en tanto que la terminal F es una pequeña área donde la persona se encuentra haciendo contacto con ambos pies [24].

Fig. 3.15 Impedancia para el circuito de tensión de contacto [24]. 67

El teorema de Thevenin permite representar los puntos H y F por medio del la Fig.3.16, así como la corriente Ib que fluye desde H circulando por el cuerpo de la persona hasta F.

Fig. 3.16 Circuito de contacto [24]. Aplicando el teorema de Thevenín para el circuito anterior se puede ver que, donde Vth es la tensión entre dichas terminales cuando la persona no está presente en ese punto; la Zth es la impedancia del sistema vista desde los puntos F1 y F2 con las fuentes de tensión en corto circuito, por lo tanto la IB es la que circula por la persona [27].

IB =

Vth Zth + RB

(3.15)

Donde: Vth = Tension de Thevenín (V). Zth = Impedancia de Thevenín. Ω . RB = Resistencia del cuerpo huamno Ω , normalmente este valor es de 1000 Ω. IB = Corriente que fluye por el cuerpo humano A . Y como puede ser apreciado en la Fig. 3.14 IB = Ib , entonces la tensión de toque está representada por la ecuación 3.16, además de que la resistencia RB representa a la resistencia de mano a mano [23], de mano a pie o de pie a pie según sea el caso, siendo esta de 1000 Ω, en tanto que la Zth es representada por la ecuación 3.17 [24]:

Etoque = IB Zth + RB

(3.16)

68

Zth = 1.5 Cs ρs

(3.17)

Realizando sustituciones y productos obtenemos la ecuación de tensión de toque [24]: Para una persona con un peso de 70 Kg [23].

Etoque 70 Kg = 1000 + 1.5Cs ρs

0.157 ts

(3.18)

Para una persona con un peso de 50 Kg [24]:

Etoque 50Kg = 1000 + 1.5Cs ρs

0.116 ts

(3.19)

Donde: ρs = Resistividad del material de la capa superficial Ω − m . Cs = Factor que relaciona el valor de la resistividad de la capa superficial ρs , con el valor de la resistividad del terreno ρ. ts = Duración de la exposición al flujo de corriente (segundos). Estos parámetros son recomendados por la IEEE 80-2000 [24].

3.9 Selección del conductor del sistema de puesta a tierra. Cada uno de los elementos del sistema de puesta a tierra incluyendo los conductores del mismo y los electrodos que formaran en conjunto la malla, deben seleccionarse de tal manera que cumplan con los siguientes requisitos [23]:    

Tener la suficiente conductividad para no generar diferencias de potencial en la malla. Una resistencia a la fusión y el deterioro en condiciones desfavorables, dados en tiempo y magnitud, debido a corrientes de falla. Deben ser confiables y contar con una alta resistencia mecánica, especialmente en lugares donde pueden quedar expuestos a algún daño o abuso físico. Que sean capaces de mantener sus características en presencia de corrosión.

El conductor normalmente utilizado para la red de tierra es de cobre con una sección transversal de 107.20 𝐦𝐦𝟐 (4/0 AWG), puesto que este presenta una alta resistencia térmica, grandes condiciones mecánicas y una buena conductividad; al igual que presenta una alta resistencia a la corrosión haciéndolo de esta manera un buena opción para el sistema de puesta a tierra [23]. 69

Para conocer la sección transversal del conductor del sistema de puesta a tierra, en función del incremento de la temperatura, la magnitud de la falla, el tiempo de duración de la falla y conociendo las constantes del material, puede ser determinada con la siguiente expresión [23]:

I = Ar

Tcap X10−4 tf αr ρr

ln

K0 +Tm

(3.20)

K0 +Ta

En donde: I= Corriente de falla simétrica eficaz (KA).

Ar = Área de la sección transversal del conductor (mm2 o KCM). Tm = Temperatura máxima permisible del material (ºC). Ta = Temperatura ambiente (ºC). Tr = Temperatura de referencia para las constantes del material (ºC)

tf = Tiempo de duración de la corriente (segundos). α0 = Coeficiente de resistividad térmica a 0 ºC (1/ºC). αr = Coeficiente de resistividad térmica de referencia Tr (1/ºC). ρr = Resistividad del conductor de tierra a la temperatura de referencia Tr (μΩ − cm). K0 = 1/α0 o también K0 = 1/αr − Tr (ºC). Tcap = Capacidad térmica por unidad obtenida en la tabla 3.4 en j/cm3 /ºC. Nótese que αr y ρr son encontrados para la misma temperatura de referencia (20 ºC), proporcionados en la tabla 3.4. Tabla 3.4 Características de materiales [24]. Descripción.

Conduc tividad.

Factor. 𝛂𝐫 a 0 ºC

Ko (𝟏/𝛂𝟎 ) a0 ºC

Temperatu ra de fusión ºC

Cobre suave recocido

100.0

0.00393

234

1083

𝛒𝐫 a 20 ºC (𝛍𝛀 − 𝐜𝐦). 1.7241

Cobre duro

97.0

0.00381

242

1084

1.7774

Factor TCAP (j/

𝐜𝐦𝟑 º

𝐂)

3.422

3.422 70

Descripción.

Cobre con alma de acero Aluminio EC Aluminio aleación 5005 Aluminio aleación 6201 Aluminio con alma de acero Acero reservado de Zinc Acero inoxidable No. 304

Factor 𝛂𝐫 a 0 ºC

Ko (𝟏/𝛂𝟎 ) a0 ºC

Temperatu ra de fusión ºC

40

0.00378

245

1084/1300

𝛒𝐫 a 20 ºC (𝛍𝛀 − 𝐜𝐦). 4.397

61.0 53.5

0.00403 0.00353

228 263

657 660

2.862 3.2226

2.556 2.598

52.5

0.00347

268

660

3.2840

2.598

20.03

0.00360

256

660/1300

8.4805

2.670

8.5

0.00320

293

419/1300

20.1

3.931

2.4

0.00130

749

1400

72.0

4.032

Conduc tividad.

Factor TCAP (j/

𝒄𝒎𝟑 º

𝑪)

3.486

La tabla 3.5 proporciona una rápida referencia de los materiales más comunes, asumiendo los siguientes parámetros [27]:    

Temperatura ambiente de 40 ºC. Limite de temperatura de fusión (ºC). Temperatura máxima permisible para las juntas o uniones soldadas a 450 ºC. Temperatura máxima permisible para cables críticos y juntas atornilladas a 250 ºC. Tabla 3.5 Constantes de materiales [24]. Descripción.

Cobre recocido suave-inmersión Cobre comercial estirado en frió Alambre de acero revestido de cobre Varilla de acero con recubrimiento de cobre. Aluminio grado EC Aluminio aleación 5005 Aluminio aleación 6201 Alambre de acero con recubrimiento de aluminio

Conductividad del material (%). 100

Tm (ºC).

Kf.

1083

7

97

1084

7.06

40

1084

10.45

20

1084

14.64

61 53.5

657 652

12.12 12.41

52.5

654

12.47

20.3

657

17.2

71

Descripción. Acero, 1020 Varilla de acero inoxidable. Varilla de acero con recubrimiento de Zinc Acero inoxidable

Conductividad del material (%). 10.8 9.8

Tm (ºC).

Kf.

1510 1400

15.95 14.72

8.6

419

28.96

2.4

1400

30.05

Como se puede ver en la tabla 3.4 para conductores de cobre duro cierta temperatura de referencia y con una conductividad de 97 % se tiene los siguientes valores [23]: αr = 0.00381 1/1ºC con Tf = 20 ºC. K0 = 242 ºC. Tm = 1084 ºC. 𝜌𝑟 = 1.78 μΩ − cm con Tf = 20 ºC. Tcap = 3.42 j/cm3 /ºC. Despejando el are del conductor de la ecuación 3.20, tenemos [27]: I

Ar =

T cap X 10 −4 tf α r ρr

(3.21) ln

K 0 +T m K 0 +T a

3.10 Resistencia del sistema de puesta a tierra. La resistencia del S.P.T juega un papel de suma importancia para reducir los gradientes de tensión, que puedan presentarse en caso de la descarga eléctrica, debido a que la mayor densidad de corriente se presenta en la periferia de la malla [23]. Por lo general las resistencias aceptables para la red de tierras (S.P.T), está entre 1 y 5 Ω; considerando un aceptable valor de resistencia en la red de tierras, para un suelo uniforme, la resistencia de esta se determina por la siguiente expresión [23]:

Rg =

ρ

π

A

4

(3.22)

72

En donde: Rg = Resistencia de la red de tierras (Ω). ρ = Resistividad del terreno (Ω-m). A= Área de la superficie ocupada por la red de tierras (m2 ). Cuando es considerado la longitud de los conductores de la malla en conjunto con los electrodos, la resistencia es:

Rg =

ρ

π

A

4

+

ρ

(3.23)

Lt

Donde: Lt = Longitud total de la red, incluyendo los conductores horizontales y verticales (m).

La ecuación anterior considera la longitud total de la red, para dar una mayor certeza y seguridad, se adiciona la profundidad del S.P.T, por lo tanto se obtiene la siguiente expresión [23]:

Rg = ρ

1 Lt

+

1 10A

1

1+ 1+h

20 A

(3.24)

En donde: Rg = Resistencia de la red de tierras (Ω). h = Profundidad de la red de tierra (m). ρ = Resistividad del terreno (Ω-m). Lt = Longitud total de la red, incluyendo los conductores horizontales y verticales (m).

73

3.11 Máxima tensión de malla. Esta tensión es la que se presenta en el centro de la malla, dicha tensión es mucho mayor en la esquinas de la red; el incremento de tensión depende del tamaño de la misma, cantidad, localización de electrodos, separación entre conductores paralelos, diámetro, profundidad de los conductores y perfil de la resistividad del terreno [27]. En el diseño de S.P.T se considera la máxima tensión de malla, por lo que esta tensión puede ser calculada con la siguiente expresión [27]:

Em =

ρ Ig Km Ki

(3.25)

Lm

Donde: Em = Tensión de malla (V). Ki = Factor de ajuste de la geometría de la red. Km = Factor de espaciamiento para la tensión de malla. Lm = Longitud efectiva de los conductores de la red (m), para la tensión de malla. Ig = Corriente de falla que circula en la red del sistema de puesta a tierra (A). El factor Km puede ser calculado por la siguiente expresión [27]:

Km =

1 2π

ln

D2 16 h dr

+

D+2h 2 8 D dr

−

h 4dr

+

Kii Kh

ln

8 π 2n−1

(3.26)

Donde: D= Espaciamiento entre conductores en paralelo (m). dr = Diámetro del conductor de la red (m). Kh = Factor de ajuste de peso y profundidad de la red. h = Profundidad de los conductores horizontales enterrados de la red de tierra (m). n= Numero de conductores equivalentes en cualquier dirección. Kii = Factor de ajuste de peso y efectos internos en la red, que es “1” para redes de tierra que cuentan con electrodos verticales a lo largo de su perímetro y/o en las esquinas [24]. dr = Diámetro del conductor de la red (m).

74

El cálculo del diámetro del conductor de la red, se realiza con la siguiente ecuación. 4 Ar π

dr =

(3.27)

Cuando se tienen electrodos a lo largo del perímetro de la red, con electrodos en la esquinas de la red o cuando se tienen los dos casos; el factor Kii es [23]:

Kii = 1

(3.28)

Sin electrodos ó pocos esparcidos en la red de tierras, pero ninguno en las esquinas o en el perímetro de la red del sistema de puesta a tierra [27]:

Kii =

1 2n

2

n

(3.29)

Donde: n= Es el factor de geometría o numero efectivo de conductores paralelos. Para calcular Kh se emplea la siguiente expresión [23]:

kh =

1+

h h0

(3.30)

Donde: h0 = 1 m, profundidad de referencia de la red. El número de conductores paralelos “n” en una red dada o irregular, se representa por el número de conductores paralelos en una red rectangular equivalente [23]:

n = na nb nc nd

(3.31)

En donde:

na =

2 Lc Lp

(3.32)

Lc = Longitud total de los conductores horizontales en la red de tierras (m). Lp = Longitud de los conductores en la periferia de la red de tierras (m). nb = 1, para redes cuadradas. nc = 1, para redes cuadradas y rectangulares. 75

nd = 1, para redes cuadradas, rectangulares y con forma de L. Si fuera el caso de que la red de tierras no contara con las características anteriores (cuadradas, rectangulares y en forma de L); se aplican las siguientes expresiones [23]:

nb = nc = nd =

Lp 4

(3.33)

A

Lx ∗Ly

0.7A

Lx Ly

A Dm 2 Lx 2 + Ly

(3.34) (3.35)

Donde:

Lc = Longitud total de los conductores horizontales en la red de tierras (m). Lp = Longitud de los conductores en la periferia de la red de tierras (m). A= Área de la superficie ocupada por la red de tierras (m2 ). Lx = Longitud máxima de la red sobre el eje x (m). Ly = Longitud máxima de la red sobre el eje y (m). Dm = Distancia máxima entre dos puntos, cualesquiera de la red (m). El factor de ajuste de geometría o irregularidad de la red (Ki ), en función del número de conductores en paralelo (n), es determinado por la siguiente expresión [24]:

Ki = 0.644 + 0.148(n)

(3.36)

A diferencia que si la red no cuenta con electrodos o con una cantidad mínima de ellos, pero ninguno localizado en las esquinas o a lo largo del perímetro de la red; en este caso la longitud efectiva (Lm ) es:

Lm = Lc + LR

(3.37)

En donde:

Lc = Longitud total de los conductores horizontales en la red de tierras (m). LR = Longitud total de todos los electrodos verticales (m).

Lm = Longitud efectiva (m).

76

Para redes que están formadas con electrodos en las esquinas, a lo largo del perímetro, y distribuidos en el área de la red, la longitud efectiva (Lm ) de los conductores enterrados incluyendo a los electrodos, está determinada por la siguiente ecuación:

Lm = Lc + LR 1.55 + 1.22

Lr 2 Lx 2 + Ly

(3.38)

Donde:

Lc = Longitud total de los conductores horizontales en la red de tierras (m). LR = Longitud total de todos los electrodos verticales (m).

Lm = Longitud efectiva (m). Lr = longitud de cada electrodo vertical (m). Lx = Longitud máxima de la red sobre el eje x (m). Ly = Longitud máxima de la red sobre el eje y (m).

3.12 Máxima tensión de paso. Es la tensión que se presenta entre un punto sobre el exterior de una de las esquinas de la red y punto que se encuentra a 1 m de distancia fuera de la red; aunque se debe de tener en cuenta que las tensiones de paso no representan un gran peligro, puesto que son menos peligrosas que las tensiones de malla; pero cuando la red está recubierta con un material de alta resistividad, como puede ser roca triturada, y esta no es prolongada al exterior de la red, da como resultado que las tensiones de paso que se generen ahí sean altamente peligrosas. Por lo que es recomendable que la máxima tensión de paso sea comparada con la tensión de paso calculada, en caso de que se obtenga una máxima tensión de paso mayor que la tensión de paso calculada, se recomienda extender la capa del material con alta resistividad hacia afuera de la cerca o eliminando esquinas. La tensión de paso se determina con la siguiente ecuación:

Es =

ρ Ks Ki Ig Ls

(3.39)

En donde: Es = Tensión de paso (V). LS = 0.75LC +0.85LR

(3.40)

77

Ks =

1

1

π 2h

+

1 D+h

+

1 D

1 − 0.5n−2

(3.41)

Donde: Ls = Longitud efectiva de los conductores de la red (m). Ks = Factor de espaciamiento para la tensión de paso. D= Espaciamiento entre conductores en paralelo (m). h = Profundidad de los conductores horizontales enterrados de la red de tierra (m). n= Numero de conductores equivalentes en cualquier dirección.

3.13 Longitud mínima del conductor. Como se describió en el punto anterior la máxima tensión de malla debe ser menor que la tensión de toque, por lo que es necesario preliminarmente, determinar la longitud mínima de los conductores que conformaran la malla de red de tierra, esto sin tomar en cuenta a los electrodos, la ecuación que determina esta longitud se muestra a continuación (para un persona con un peso promedio de 70 Kg):

Lc >

ρ Km Ki Ig

ts

157+0.235 Cs ρs

(3.42)

Lo tratado a lo largo de este capítulo, da las bases para el cálculo de un sistema de tierras para una subestación eléctrica; tomando esto como una base para el diseño de tierras tal como lo marca la IEEE 80-2000, esta se tomara como una referencia para realizar el sistema de tierras del sistema de protección para los tanques de almacenamiento de productos inflamables.

78

CAPÍTULO IV

TANQUES DE ALMACENAMIENTO DE PRODUCTOS INFLAMABLES

79

4. Tanques de almacenamiento de productos inflamables. La industria petrolera utiliza diferentes tipos de tanques de almacenamiento, entré los más utilizados son el de tipo techo flotante, ya que este tiene la característica de evitar la acumulación de gases en el tanque, esto tratándose del almacenamiento de productos volátiles como lo son: petróleo crudo, naftas y gasolinas [22]. La tabla 4.1 muestra que tipo de color debe tener el tanque, cuando este almacena diferentes productos, definidos por la NRF-075 de PEMEX [30].

Tabla 4.1 Colores que deben de tener los tanques de almacenamiento [30]. Producto

Color primario Color secundario Envolvente

Techo

Gas licuado de petróleo

Blanco brillante

-

Blanco brillante

-

Gasolina de aviación

Naranja

-

Aluminio

Blanco brillante

Gasolina especial

Bermellón (rojo)

Azul trianón

Aluminio

Blanco brillante

Gasolina regular

Bermellón (rojo)

-

Aluminio

Blanco brillante

Nafta industrial

Turquesa

Blanco brillante

Aluminio

Blanco brillante

Nafta especial

Bermellón (rojo)

Blanco brillante

Aluminio

Blanco brillante

Solventes

Verde turquesa

-

Aluminio

Blanco brillante

Tolueno

Azul claro

-

Aluminio

Blanco brillante

Turbocombustible producción nacional

Gris acero

-

Aluminio

Blanco brillante

Turbocombustible exportación

Gris acero

-

Aluminio

Blanco brillante

Queroseno

Verde

Blanco brillante

Aluminio

Blanco brillante

80

Producto

Color primario Color secundario Envolvente

Techo

Combustible diesel

Amarillo tostado

-

Aluminio

Blanco brillante

Aceites lubricantes

Cocoa

-

Aluminio

Blanco brillante

Aceite usado

Cocoa

Negro brillante

Negro mate

Negro mate

Petróleo

Blanco brillante

-

Negro mate

Negro mate

Petróleo crudo

Negro brillante

Verde manzana

Aluminio

Blanco brillante

Asfalto

Ferroprotector negro

-

Alcohol desnaturaliza-do

Azul trianon

-

Aluminio

Blanco brillante

Agua

Gris dublin

-

Gris dublin

Gris dublin

Ferroprotector Ferroprotector negro negro

4.1 Patío de tanques. Un patio de tanques es una de las instalaciones más importantes para el almacenamiento bombeo y limpieza del petróleo desde sus diferentes centros de producción hasta sus terminales de embarque y refinerías. Como se sabe el crudo producido es enviado desde los pozos a las estaciones recolectoras, en donde es nuevamente bombeado de forma continua hacia los patios de tanques para su almacenamiento [31]. En los patios de tanques es en donde el crudo recibe un tratamiento, mediante un proceso de deshidratación, esto para cumplir la calidad que exige el mercado, una vez que es realizado este proceso se bombea a las refinerías o es enviado en buquestanqueros para su exportación [31]. Debido a que el proceso de almacenamiento y de deshidratación es llevado a cabo las veinticuatro horas del día, es necesario tomar en cuenta todas las medidas de mantenimiento, seguridad y protección, esto para evitar pérdidas económicas; en los programas de mantenimiento se encuentran las revisiones periódicas a los tanques, pintura y limpieza de fondos [31].

81

4.2 Área de un patio de tanques. Los patios de tanques están constituidos de distintos tipos de instalaciones, entre ellas se encuentran [31]: 

Múltiple de Recolección: Es el área donde se encuentran todas la tuberías o líneas de flujo provenientes de las estaciones de flujo o segregadoras.



Separador API: Esta sección lleva a cabo la recuperación de crudo, el cual esta combinado con agua, después del proceso de deshidratación, la capa de crudo que flota sobre el agua es separada mediante unos deflectores que se encuentran ubicados a la salida de la tubería, estos deflectores son movidos para capturar el crudo que se encuentra flotando sobre el agua; por ultimo una vez que el agua es separada del crudo, se bombea a una planta de tratamiento para poder ser reutilizada en el proceso de deshidratación.



Estación o Salas de Bombas: Es el lugar donde se encuentran instaladas las bombas que mueven el crudo dentro de los tanques hacia el exterior del patio de tanques.



Múltiple de Succión: Es la tubería que proviene de los tanques de almacenamiento para alimentar la succión del tren de bombas.



Múltiple de descarga: Es el conjunto de tuberías que se unen al oleoducto que conduce el crudo.

4.3 Tipos de tanques. Los tanques de almacenamiento pueden ser clasificados en base a diferentes criterios, un análisis global de la instalación y por su impacto sobre el proceso de construcción; así que se pueden encontrar los siguientes diseños [22].

4.3.1Tanques cuadrados o rectangulares. Son empleados para almacenar productos con un bajo riesgo de incendio como lo son: agua, mieles, jarabes, etc. Son de una baja capacidad, en promedio de unos 20 m3 y son construidos generalmente de acero al carbono, operando a presión atmosférica [22].

82

4.3.2 Tanques cilíndricos horizontales. Utilizados para el almacenar productos de diferente naturaleza química, estos pueden ser: ácidos, álcalis, combustibles, lubricantes, etc. [22]. Son de mediana capacidad de almacenamiento con un volumen no mayor a 150 m3 ; este tipo de tanques pueden ser de tipo aéreo (aboveground storage) o subterráneo (underground storage) y además contar con extremos planos o abovedados, como el que se muestra en la Fig. 4.1 [22].

Fig. 4.1 Tanque cilíndrico horizontal [22].

4.3.3 Tanques cilíndricos verticales. Al igual que el tanque cilíndrico horizontal este tipo almacena: ácidos, álcalis, hidrocarburos, efluentes industriales, como se muestra en la Fig. 4.2. Con la diferencia de poseer una gran capacidad de almacenamiento, alcanzando un volumen de 10,000 a 20,000 𝐦𝟑 , y estos a su vez se clasifican según sus aspectos [22]: 1. Tipo de cobertura: abiertos o techados 2. Tipo de techo: fijo o flotante. Techos flotantes a pontón o a membrana 3. Tipo de fondo: plano o cónico Por lo que con relación a su selección, esta dependerá del volumen requerido, el espacio disponible, las inversiones exigidas etc.

Fig. 4.2 Tanque cilíndrico vertical [22]. 83

Como se cito anteriormente los tanques de techo flotante cuentan con un techo flotante como su nombre lo indica, tal y como se observa en la Fig. 4.3, esto es para evitar la formación de vapores, de esta manera no se generan pérdidas por evaporación del producto, además se evita la formación de gases explosivos alrededor del tanque [30]. El techo puede ser interno (en donde existe un techo fijo colocado en el tanque) o un techo externo (a cielo abierto); en la actualidad los nuevos techos se construyen de aluminio, el cual toma la forma de un domo geodésico como si fuera un techo fijo del tanque; las ventajas que presenta esta nueva tecnología son las siguientes [30]: 

Es un techo autoportante, lo que quiere decir es que no necesita de columnas para que los sostengan.



Son construidos en aluminio.



Son construidos en el suelo, y montados por medio de una grúa; reduciendo el riesgo de trabajar a grandes alturas.

Fig. 4.3 Tanque tipo de techo flotante [30].

Existen otros conocidos como tanques plegables RO-TANK que han sido desarrollados para almacenar hidrocarburos recuperados por embarcaciones anti contaminación que no disponen de tanques propios o que estos no son de gran capacidad [30].

84

Los RO-TANK pueden ser remolcados llenos o vacios a velocidades de 7 nudos, esto en función del estado del mar, este tipo de tanque puede ser apreciado de una mejor manera en la Fig. 4.4; gracias a sus conexiones ASTM es posible unir varios tanques para ser remolcados. Además de que están fabricados con una gruesa plancha de caucho y neopreno reforzado con cuatro capas internas de tejido de poliéster, haciendo esto en conjunto una combinación de materiales resistentes a la abrasión y la perforación. Su recubrimiento de caucho Hypalon hace que estos tanques sean resistentes a los hidrocarburos que almacenan a si como a los agentes atmosféricos (rayos ultravioleta, ozono, salitre, etc.)

Fig.4.4 Tanque plegable [30]. A continuación la tabla 4.2 muestra los datos técnicos de los tanques plegables [30]; Tabla. 4.2 Datos técnicos de los tanques plegables [30]. DATOS TÉCNICOS

Dimensiones (lleno)

Dimensiones (embalado)

Peso en seco

Ro-Tank 50 m3

5,3 x 2,2 x 0,8 m

2,2 x 0,5 x 0,5 m

125 Kg.

Ro-Tank 10 m3

9,5 x 2,2 x 0,8 m

2,2 x 0,8 x 0,8 m

195 Kg.

Ro-Tank 15 m3

14 x 2,2 x 0,8 m

2,2 x 1,0 x 1,0 m

265 Kg.

Ro-Tank 25 m3

22 x 2,2 x 0,8 m

2,2 x 1,2 x 1,2 m

575 Kg.

Ro-Tank 50 m3

14 x 3,8 x 1,8 m

4 x 1 x 0,8 m

650 Kg.

85

La tabla 4.3 describe las dimensiones reales con las que cuentan los tanques de techo flotante o atmosférico [25]. Tabla 4.3 Dimensiones reales de los tanques de almacenamiento tipo techo flotante [28]. DIMENSIONES DE TANQUES DE ALMACENAMIENTO ATMOSFÉRICOS CAPACIDAD Barriles (Metros cúbicos) 1000 (159) 2000 (318) 3,000 (477) 5,000 (795) 10,000 (1,590) 15,000 (2,385) 20,000 (3,180) 30,000 (4,770) 40,000 (6,360) 55,000 (8,745) 80,000 (12,720) 100,000 (15,900) 150,000 (23,850) 200,000 (31,800) 500,000 (79,500)

DIÁMETRO

ALTURA

Metros (Pies)

Metros (Pies)

6.096 (20) 7.468 (24.5) 9.144 (30.00) 9.652 (31.66) 12.954 (42.50) 17.678 (58.00) 18.288 (60.00) 22.352 (73.33) 25.908 (85) 30.480 (100.00) 36.576 (120.00) 40.843 (134.00) 45.720 (150.00) 54.864 (180.00) 85.344 (280.00)

5.486 (18) 7.315 (24) 7.315 (24.00) 10.973 (36.00) 12.192 (40.00) 9.754 (32.00) 12.192 (40.00) 12.192 (40.00) 12.192 (40) 12.192 (40.00) 12.192 (40.00) 12.192 (40.00) 14.630 (48.00) 14.630 (48.00) 14.630 (48.00)

86

4.3.4 Recipientes a presión (pressure vessels). La mayoría de los productos producidos en las industrias requieren para su almacenaje y utilización, presiones superiores a la atmosférica, como los mostrados en la Fig. 4.5, esto da lugar a los recipientes llamados recipientes a presión. Este tipo de recipientes son capaces de contener productos de diferente naturaleza química, bajo las condiciones requeridas como pueden ser: presión, temperatura, concentración, etc. [22] Dependiendo de los volúmenes manejados y de las condiciones de operación, estos recipientes son construidos de las siguientes formas [22]:    

Recipientes cilíndricos horizontales con fondos abovedados Recipientes verticales con fondos abovedados Recipientes verticales encamisados (jacketed vessels, cryogenic gases) Recipientes esféricos o esféricos modificados

Fig. 4.5 Recipiente a presión [22].

En nuestro país el diseño y cálculo de tanques de almacenamiento, se basa conforme a las publicaciones del “Instituto Americano del Petróleo”, que emite la Estándar A.P.I 650, para tanques de almacenamiento a presión atmosférica y la Estándar A.P.I 620 para tanques a presiones internas de 1 kg/cm2 [22].

4.4 Partes que constituyen un tanque de techo flotante. A continuación se muestra las partes mas esenciales que constituyen un tanque de techo flotante, esto para dar una idea de cómo es que está constituido este tanque, ya que el trabajo está dirigido a proteger tanques de este tipo.  Equipos de Medición: Utilizan diversos sistemas de medición de nivel desde el más sencillo como lo son un flotador y cadena, hasta equipos electrónicos de radio frecuencia. 87



Bocas de Inspección: Facilitan la entrada y salida de personal que realiza inspecciones programadas, mantenimiento y reparaciones internas de los tanques.



Boquillas: Son conexiones de entrada y salida de las tuberías que se conectan al casco.



Termopozos: Permiten realizar observaciones visuales de temperatura del producto.



Líneas: Los tanques poseen tuberías de entrada (llenado), salida (succión), contra expansión, circulación, drenaje y de serpentín de vapor.



Líneas de Entrada: Las líneas de entrada (llenado) se usan para almacenar los crudos o productos refinados en los tanques; su diámetro lo determina la presión que impulsa el fluido hacia los tanques. Generalmente, las líneas de entrada están situadas cerca del fondo del tanque para evitar formación de gases y excitación de la electricidad estática.



Líneas de Salida: Las líneas de salida (succión), al igual que las de entrada, están colocadas cerca del fondo del tanque. Su diámetro lo determina la capacidad de las bombas que succionan el fluido y la viscosidad de estos.



Líneas de Contra Expansión: Las líneas de contra expansión se usan para evitar que se acumule la presión por efectos de expansión y rompa la línea de entrada o dañe la pared del tanque.



Líneas de Circulación: Las líneas de circulación permiten homogeneizar el producto; la mezcla de los productos se hace necesaria debido a que las partes más pesadas se depositan en el fondo y las más livianas quedan arriba, pasado cierto tiempo, lo cual no permite tener disponible un producto homogéneo. La mezcla del contenido de un tanque se realiza por medio de una bomba, la cual descarga en el mismo tanque que succiona o a otro diferente.



Líneas de Drenaje: Las líneas de drenaje están situadas al lado y muy cerca del fondo de los tanques y sus diámetros son proporcionales al tamaño de estos. Algunas de estas líneas se prolongan hasta el centro del fondo de los tanques (debido a que algunos tanques tienen cierta inclinación hacia el centro), para eliminar, de esta manera, los sedimentos y el agua casi por completo.



Línea de Agua: Tuberías dispuestas alrededor del tanque con la finalidad de transportar y distribuir agua alrededor del mismo, además esta línea posee una tubería interna por donde se distribuye la espuma contra incendio. 88



Línea de Enfriamiento: Es el sistema de rociadores externo de los tanques el cual a su vez tiene varias tomas o hidrantes para la conexión hacia los tanques y/o hacia camiones apaga fuego, en casos de emergencias.



Línea de Espuma: La línea de espuma es la que parte de una estación de bombas donde se mezcla agua con productos químicos para formar la espuma contra incendios, de allí parte a unas cámaras internas de espumas en los tanques.



Cámara de Espuma: Es la que expande la espuma hacia el interior de los tanques.



Artesón: Consiste en una estructura tipo caja abierta en su parte superior, que se instala en las líneas de succión para evitar que los sistemas de bombeo puedan succionar el agua y/o sedimento que generalmente se deposita en el fondo del tanque.



Plataforma de Aforo: Es una estructura instalada en la parte superior del tanque desde donde se efectúan los aforos oficiales en forma segura.



Drenaje del Techo: Conjunto de equipos que posibilita un correcto manejo de los fluidos, que puedan depositarse sobre el techo, considerando para tal propósito, procesos de captación, conducción, y evacuación de los mismos.



Manguera de Drenaje: Manguera utilizada en los sistemas de drenaje; está diseñada para soportar presiones tanto externas como internas y además cuenta con un amplio rango de temperaturas.



Sistema de Drenaje: Es una válvula de seguridad ajustable, manual o automáticamente, a las presiones necesarias, y que se encarga de evitar el contra flujo del líquido que circula por ella.



Pontones: Sistemas de flotación de los techos flotantes.



Venteo: Es el sistema diseñado para prevenir los efectos de las alteraciones bruscas de presión interna de un depósito o tanque de almacenamiento como consecuencia de las operaciones de trasvase o de las variaciones de la temperatura ambiente.



Soportes: Son el conjunto de párales tubulares, sobre los cuales descansa el techo flotante en su mínimo nivel de liquido.

89



Escalera del Techo: Es la escalera que conecta la plataforma de aforo del tanque con el techo flotante.



Válvulas de Drenaje: Válvulas mediante las cuales se realizan las operaciones de drenaje del tanque.



Válvula Principal: Es la válvula mediante la cual se llevan a cabo las operaciones de llenado y vaciado de los tanques.



Sello del Tanque: Estos sistemas son utilizados en los techos flotantes. Cada tipo de sello puede ser de distintos materiales de manera que sean compatibles con el líquido que se almacenan en el tanque; estos sellos son diseñados para impedir el escape hacia la atmósfera de los vapores y el líquido almacenado dentro del tanque.



Rociadores: Es el sistema de enfriamiento de los tanques.



Techo Flotante: Estructura metálica hermética puesta sobre pontones cilíndricos que le permiten a este suspenderse sobre el producto o dicho de otra manera es un elemento que tiene movimiento vertical, que atrapa bajo él, los vapores despedidos por el producto.



Boca de Aforo: Es la abertura sobre el techo del tanque, a través de la cual se hacen las medidas y se toman las muestras para un aforo.



Tubo de Aforo: Es un tubo perforado que se extiende desde el fondo del tanque, hasta la boca de aforo. El borde superior deberá ser el nivel para tomar las medidas y se convierte en el punto de referencia del tanque sin la interferencia de espuma u ondas.



Drenaje Rápido del Techo Flotante: Es una boquilla de emergencia por donde se drena el agua depositada sobre el techo flotante cuando está en su posición más baja, y cuando el tanque no contiene producción (1,30mt del suelo, los soportes del techo deben estar en posición de mantenimiento). Esta solo se utiliza cuando el tanque se va sacar de servicio.

90

Ya que se ha mencionado algunos de los elementos que constituyen a un tanque de techo flotante, se debe ejemplificar dichas partes, esto se puede dar con las Fig. 4.6, Fig. 4.7, Fig. 4.8, Fig. 4.9, Fig. 4.10, Fig. 4.11 y Fig. 4.12 donde puede ser apreciado más a detalle su construcción física, que tipo de elementos los comprenden, cuáles son sus características, etc.  Fondos de tanques atmosféricos verticales.

Fig. 4.6 Muestra los diferentes fondos que son empleados en los tanques [32].

91

 Tanque vertical con cúpula geodésica.

Fig. 4.7 Tanque vertical con los elementos que lo constituyen [32].  Tanque vertical con techo fijo.

Fig. 4.8 Representación grafica de un tanque de techo fijo [32] 92

 Tanque vertical de techo flotante.

Fig. 4.9 Representación grafica de un tanque de techo flotante [32].

 Tanque vertical con M.F.I de Acero y techo fijo.

Fig. 4.10 Representación de tanque vertical con M.F.I y techo fijo [32]. 93

 Tanque vertical con techo fijo y M.F.I de aluminio.

Fig. 4.11 Muestra a un tanque vertical con techo fijo y M.F.I de aluminio [32].  Tanque de combustóleo.

Fig. 4.12 Muestra un tanque de Combustóleo [32].

94

4.4.1 Trabajos preliminares. Antes de comenzar la construcción del tanque se debe de tomar en cuenta el requerimiento del proceso operativo, la capacidad del tanque y la selección del sitio de su instalación [34]. Una vez que se haya determinado el lugar de emplazamiento, se procederá al levantamiento de topográfico y el estudio de mecánica de suelos, una vez que se tenga la información se determinara los niveles de operación del tanque, para poder considerar estos valores, se deben tomar en cuenta las siguientes integraciones [34]: - Integración de líneas de proceso. - Integración de líneas de contra incendio y agua de enfriamiento. - Integración de drenaje pluvial. - Integración de drenaje aceitoso. - Integración a la red eléctrica y de tierras. - Integración de las señales de operación y control. - Urbanización del área. De los resultados obtenidos en el estudio de mecánica de suelos se procederá a determinar el tipo de cimentación que se requiere de acuerdo a las características del suelo [34].

4.4.2 Cimentación. Para garantizar una correcta construcción de un tanque, es necesario garantizar que a partir de la construcción de la cimentación, los requerimientos de nivelación, verticalidad y redondez se cumplan estrictamente como lo marca la API 650 [34]. Los tanques nuevos serán construidos sobre estructuras de concreto reforzado como lo muestra la Fig. 4.13, las cuales son diseñadas de acuerdo con las recomendaciones de la API 650 apéndice B [34].

Fig. 4.13 Muestra el anillo de cimentación para el tanque [34].

95

4.4.3 Fondo. En el caso de los tanques de techo flotante las placas de fondo deben tener un espesor nominal de 6 mm, o un peso de 49.8 Kg m2 , además si el tanque se encuentra en una región húmeda se recomienda agregar al espesor una tolerancia, aumentando esta hasta un límite de 9 mm [34]. Existen tres métodos para la construcción de fondo de los tanques, a continuación se describirán cada uno de ellos [34]:

 Placas traslapadas. Consiste en construir el fondo del tanque por medio de placas traslapadas, como se muestra en la Fig. 4.14, es decir una placa encima de otra a una distancia de separación no mayor a 305 mm, las placas deben tener una forma rectangular con bordes en escuadra.

Fig. 4.14 Traslape de placas para la construcción del fondo del tanque [34].

96

 Placas soldadas a tope. En este caso las placas deben tener bordes paralelos y una preparación en “V” o cuadradas para soldarse a tope, si en el diseño se especifican ranuras cuadradas la abertura no debe ser menor de 6.3 mm, además deben de llevar una tira o solera de bronce con un espesor mínimo de 3.2 mm, la cual funcionará como un respaldo, como se muestra en la Fig. 4.15.

Fig. 4.15 Unión de placas en preparación “V” [34].

 Combinación de placas traslapadas y placas soldadas a tope. En este método se emplean las dos formas para la construcción del fondo del tanque, empleando placas rectangulares e irregulares en forma traslapada para la parte central del fondo y placas soldadas a tope para el anillo anular del fondo.

4.4.4 Techos. Las placas de los techos deben de tener un espesor mínimo de 4.8 mm, con un máximo de 37.5 mm, en el caso de que se trate de un techo auto soportado, se podrán utilizar mayores espesores; las placas de los techo cónicos soportados, no deben de fijarse a los elementos de soporte [34]. Tomando en cuenta estos parámetros se puede agregar que todos los elementos estructurales internos y externos deben tener un espesor nominal mínimo de 4.87 mm [34]. En resumen de todos los puntos anteriormente relatados, se da una descripción de los elementos que conforman al tanque de almacenamiento, dando como resultado un panorama mucho más realista del mismo.

97

CAPÍTULO V

CÁLCULO DEL NIVEL DE PROTECCIÓN Y DISEÑO DEL SISTEMA DE PUESTA A TIERRA MEDIANTE EL PROGRAMA CALIXTO-87

98

5. Cálculo del nivel de protección y diseño del sistema de puesta a tierra mediante el programa CALIXTO-87. El programa que se utilizara está basado en el diagrama de flujo de la norma UNE 21.186 y la norma IEE 80-2000, en el cual muestra los pasos para determinar el nivel de protección, el cálculo y diseño del sistema de puesta a tierra. Una vez determinado el diagrama de flujo del programa, este será realizado en MATLB, ya que este lenguaje de programación permite realizar funciones que en el DEV C++, Fortran o en cualquier otro lenguaje sería más complejo, puesto que como bien es sabido MATLAB, combina las herramientas y principios de estos programas, haciendo de este una forma fácil de crear y entender para cualquier persona relacionada con la Ingeniería Eléctrica.

5.1 Funcionamiento del programa CALIXTO-87. A continuación se describirán los pasos que realizara Calixto-87, que fue realizado con el propósito de cumplir uno de los objetivos específicos de esta tesis: 

El primer paso que se realiza es la determinación de la superficie de captura (Ae).



Se ingresa la frecuencia establecida de impactos directos sobre la estructura (Nd).



Se calcula la frecuencia establecida de impactos sobre una estructura (Nc).



Procederá a realizar una comparación entre Nd y Nc, de esta comparación nos dirá si es necesario o no implementar el sistema de protección.



De no ser necesario el programa finaliza el procedimiento, en caso contrario el programa calculara la eficiencia.



Una vez calculada la eficiencia, el programa identifica que nivel de protección es el más adecuado para proteger el elemento.



Ya elegido el nivel de protección, se dará la corriente de cresta máxima que produce la descarga y la distancia de cebado.



Toma como corriente de falla la corriente máxima de cresta de acuerdo al nivel de protección.



Se procede a calcular el calibre del conductor.

99



Se toman en consideración los criterios de tensión de toque y paso.



Procede a realizar el cálculo de la longitud del conductor.



Calcula la resistencia de la red.



Se calcula la tensión de malla.



Procede a determinar la corriente máxima de la red.



Una vez hecho lo anterior, realizará una comparación de la tensión máxima de la red con la tensión de toque máxima tolerable por el cuerpo humano.



Si esta tensión es mayor se hará una modificación en el diseño.



Realizada la modificación o es su defecto que se ha aprobado el cálculo proceder a comparar la tensión de paso de la red con la tensión de paso soportada por el cuerpo humano.



Por último arroja los resultados de la selección del nivel de protección y el diseño del sistema de puesta a tierra para los pararrayos.

100

5.2 Diagrama de flujo del programa CALIXTO-87. Paso 1

Superficie de Captura (Ae)

Frecuencia Establecida de Impactos Directos sobre la Estructura (Nd)

Frecuencia Establecida de Impactos sobre la Estructura (Nc)

PROTECCIÓN NO NECESARIA.

Paso 2

Paso 3

Si Nd < Nc

Paso 4

No Calculo de la Eficiencia (E)

0.95< E> 200 m

108

Analizando los resultados, se puede ver que la longitud calculada es mucho mayor a la longitud mínima del conductor, esto representa un gran costo en la instalación del sistema, si se ve desde una parte económica. Por lo tanto es recomendable utilizar un método diferente, el cual consiste en colocar una capa de grava moran de 15 cm de espesor sobre la superficie del sistema, esta capa tiene una resistividad de 3000 Ω-m. Utilizando la ecuación (3.12) se tiene:

Cs = 1 −

ρ 0.09 1 − ρ s 2 hs + 0.09

= 1−

45 0.09 1 − 3000 2(0.15) + 0.09

= 𝟎. 𝟕𝟕𝟐

 Hecho esto se procede a calcular nuevamente la tensión de toque. Etoque

70 kg

0.157

= 1000 + 1.5Cs ρs

ts

0.157

= 1000 + 1.5 0.772 3000

0.2

= 𝟏𝟓𝟔𝟓. 𝟗 𝐕  Cálculo de la tensión de paso: Epaso 70 kg = 1000 + 6 Cs ρs = 1000 + 6 0.772 3000

∗

0.157 ts 0.157 0.2

= 5213.6 V  Si no se modifican las dimensiones de las mallas ni el número de conductores para el eje X y el eje Y, se tiene que. Eje X 10 m = =𝟏 Eje Y 10 m Por lo que tentativamente se consideran 10 mallas en eje X y 10 mallas en el eje Y; y para calcular la separación entre conductores se emplea la siguiente ecuación: D=

2 l1 l2 L − l1 − l2

(5.1)

Donde: 109

D= Separación entre conductores (m). l1 = Largo de la red (m). l2 = Ancho de la red (m). L= longitud total (m). L = (# de conductores en X ) Eje X + # de conductores en Y Eje Y . Realizando la ecuación (5.1), teniendo en cuenta que tentativamente esta es la longitud total de la red, se tiene que:

Lc =

10 10 + 10 10

= 𝟐𝟎𝟎 𝐦.

Pero en este caso no se debe de olvidar que se está contemplando la longitud de los electrodos, por lo que la longitud total es: Lt = Lc + LR = 200 + 86varillas

3m

= 𝟒𝟓𝟖 𝐦

Nota: Se proponen 86 electrodos, para reducir la tensión máxima de malla, puesto que si este número de electrodos variaba 30-76, la última condición no se cumplirá. D=

2 l1 l2 2 10 10 = = 𝟏. 𝟏𝟏𝐦 Lc − l1 − l2 200 − 10 − 10

 Se calcula nuevamente la resistencia de la red considerando la nueva longitud total.

Rg = ρ

= 45

1 1 + 1+ Lt 10A

1 1 + 458 10 100

1 1+h

20 A

1

1+ 1 + 0.5

= 2.61 Ω 20 100

 Recordando que la dimensión de la malla y el número de conductores en los ejes no se modifico, el valor de “n” permanece idéntico. 110

na =

2 Lc 2 200 = = 𝟏𝟎 Lp 40

nb = 𝟏; nc = 𝟏; nd = 𝟏 n = na nb nc nd = 10 1 1 1 = 𝟏𝟎

 Los valores que se utilizaron para el cálculo del factor de espaciamiento para la tensión de la malla son los mismos, a excepción de Kii =1. 1 D2 D + 2h 2 h Kii 8 Km = ln + − + ln 2π 8 D dr 4dr Kh π 2n − 1 16 h dr 2

1 1.11 2 1.11 + 2 0.5 0.5 = ln + − 16 0.5 0.0734 2π 8 1.11 0.0734 4 0.0734

+

1 8 ln 1.22 π 2 10 − 1

= 0.050 V

 Se calcula el valor del factor de corrección por geometría.

Ki = 0.644 + 0.148 n = 0.644 + 0.148 10 = 𝟐. 𝟏𝟐𝟒

 Cálculo de la tensión máxima de la malla. Pero con una modificación ya que se emplearan varillas en las esquinas o a largo del perímetro, por lo que la tensión de malla es: ρ Ig Km Ki

Emalla =

Lr

Lc + 1.55 + 1.22 Lx

=

2

+ Ly

∗ LR

2

45 25x103 0.050 2.124 200 + 1.55 + 1.22

3 10 + 10 2

2

= 𝟏𝟕𝟗. 𝟐𝟔 ∗ 86 3

111

 Nuevamente se comparan las tensiones. 𝐄𝐦𝐚𝐥𝐥𝐚 < 𝐄𝐭𝐨𝐪𝐮𝐞 179.26 V < 1565.9 V

 Longitud Mínima de Red. Con este paso se verifica que la longitud total de la red propuesta sea mayor que la longitud mínima requerida. Lcmin =

ρ Km Ki Ig

ts

157 + 0.235 Cs ρs

=

45 0.050 2.124 25x103

0.2

157 + 0.235 0.772 3000

= 𝟕𝟔. 𝟗 𝐦

𝐋𝐜𝐚𝐜𝐥𝐮𝐥𝐚𝐝𝐚 < 𝐋 𝐩𝐫𝐨𝐩𝐮𝐞𝐬𝐭𝐚 76.9 m < 200 m Como se puede ver, la longitud del conductor de la red es menor a la que se propuso, se puede seguir con el procedimiento de diseño.  Ahora se calcula la longitud efectiva de los conductores de la red. Ls = 0.75 Lc + 0.85 LR = 0.75 200 + 0.85 258 = 𝟑𝟔𝟗. 𝟑 𝐦

 Factor de espaciamiento para la tensión de paso. Si se considera un potencial de paso a un meto fuera de la esquina, más alejada de la red y al conductor enterrado a un profundidad de 0.5 m, se tiene que: Ks = =

1 1 1 1 + + 1 − 0.5n−2 π 2 h D+h D

1 1 1 1 + + 1 − 0.510−2 1.11 + 0.5 1.11 π 2 0.5

= 0.79

112

 Se calcula la tensión de paso máxima de la red.

ρ Ks Ki Ig 45 0.79 2.124 25x103 Es = = = 𝟓𝟏𝟏𝟏. 𝟓𝟕 𝐕 Ls 369.3 𝐄𝐬 < 𝐄𝐩𝐚𝐬𝐨 𝟕𝟎 𝐤𝐠 5111.57 V < 5213.6 V

La tabla 5.1 muestra el análisis de resultados del diseño final. Tabla 5.1 Resultados tentativos del diseño.

E (Malla).

E (Toque).

179.26 V

1565.9 V

E (Máxima de Red).

E (Paso).

5111.57 V

5213.6 V

L (Calculada).

L (propuesta).

76.9 m

200 m

Se debe aclarar que este no es el paso final; más bien es para comprobar que realmente el procedimiento es tentativamente el correcto.

113

5.4 Corrida del programa CALIXTO-87. En primera instancia se debe especificar que los datos que se emplearán para el cálculo del nivel de protección y el diseño del sistema de puesta a tierra, son los mismos que se utilizaron en el ejemplo analítico. Se ejecuta el programa, en primera instancia, se proporcionan la altura y la densidad de descargas eléctricas, según la zona en la que se encuentre instalado el tanque.

Ya ingresado esos primeros datos se desplegaran una serie de listados, que darán múltiples opciones, estas opciones son en qué condiciones se encuentra el tanque y demás.

114

115

Una vez que el usuario a terminado de elegir las opciones que se presentan en los listados, el programa determina si es o no necesario implementar el sistema de protección, en este caso si fue necesario implementarlo. Como es necesario implementar el sistema, el programa pedirá al usuario la resistencia promedio del terreno y la profundidad a la que estará la malla, como a continuación se muestra:

Hecho lo anterior, se despliegan los resultados, en los cuales están el nivel de protección necesario y las características del sistema de puesta a tierra.

116

La tabla 5.1 muestra la comparación entre los resultados analíticos y los resultados obtenidos mediante el programa CALIXTO-87. Tabla 5.1 Resultados obtenidos analíticamente y con el programa CALIXTO-87. UNE 21,186 Símbolo Ae Nd Nc E

Descripción

Resultados del Resultados Analíticos. Programa U.M Cantidad U.M Cantidad 2 2 5541,76 5541,8 m m ********** 0,024 ********* 0,024 ********** 0,006 ********* 0,006 ********** 0,75 ********* 0,75

Superficie de Captura Selección del Coeficiente de la estructura Frecuencia aceptable de rayos sobre el tanque Eficiencia de la protección Nivel de protección ********** III ********* IEEE STD 80-2000 A Área del sistema de puesta a tierra 100 m2 m2 I Corriente del rayo KA 25 KA tf Duración de la corriente de rayo s 0,2 s 2 Ar Calibre del conductor 39,28 (1) mm mm2 E toque Tensión de toque V 374,69 V E paso Tensión de paso V 445,77 V Lt longitud del conductor m 200 m D Distancia de los conductores m 1,11 m Rg Resistencia de la red Ω-m 2,76 Ω-m n Factor geométrico ********** 10 ********* h Profundidad de la malla m 0,5 m

III 100 25 0,2 39,09 374,75 445,84 200 1,11 2,81 10 0,5

117

Km Ki Em

Símbolo

Factor de espaciamiento V 0,171 Factor de corrección por geometría ********** 2,124 Tensión de malla máxima V 2043,2 Comparación de las tensiones de E malla vs E toque. 2043,02 V > 374,69 V Rediseño del Sistema de Puesta a Tierra. Descripción

Resultados Analíticos. U.M Cantidad Resistividad de la roca triturada ῼ-m 3000 ρs Cs Factor de la capa superficial ********** 0,772 E toque Tensión de toque V 1565,9 E paso Tensión de paso V 5213,6 D Distancia de los conductores m 1,11 Lt Longitud total de la red m 458 Rg Resistencia de la red ῼ 2,61 n Factor geométrico ********* 10 Km Factor de espaciamiento V 0,05 Ki Factor de corrección por geometría ********** 2,124 Tensión de malla Em V 179,26 Comparación de las tensiones de E malla vs E toque. 179,26 V < 1565,9 V Lm Longitud mínima de la red m 76,9 Ls Longitud efectiva de los conductores de la red m 369,3 Ks Factor de espaciamiento ********** 0,79 Es Tensión de paso máxima de la red V 5111,57

V ********* V

0,17 2,124 2039,2

Resultados del Programa. U.M Cantidad ῼ-m 3000 ********* 0,77 V 1571,17 V 5233,8 m 1,11 m 458 ῼ 2,68 ********* 10 V 0,05 ********* 2,124 V 179,21

m m ********* V

79,6 369,3 0,8 5184,3

118

El sistema tendrá una apariencia como lo muestra la Fig. 5.1, en la cual se puede apreciar el sistema de blindaje y el sistema de puesta a tierra.

Fig. 5.1 Muestra el sistema de protección físico para el tanque de almacenamiento.

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CONCLUSIONES Se puede concluir que este sistema puede ser implementado para la protección de los tanques de almacenamiento de productos inflamables, sin importar de qué tipo de tanque se trate, como se puede verificar no hay una norma que describa el diseño del sistema de tierras para los pararrayos, ya que la NORMA UNE 21.186 solo hace pequeñas referencias acerca de ello, es por eso que en este trabajo se propuso el diseño empleando la NORMA IEEE 80-2000. Teóricamente es viable implementar este sistema, pero aun es necesario realizar pruebas de laboratorio y campo, para verificar la efectividad de este sistema; no obstante se dejan bases cimentadas para que el estudio continúe, puesto como se planteo en la justificación, el daño a los tanques por descargas atmosféricas no solo es un problema que se presenta en nuestro país sino a nivel mundial y una de las propuestas que se tienen, es la de implementar el sistema desarrollado a lo largo de este trabajo. Por tal motivo, se puede concluir que cada tanque debe de tener su propio sistema de protección, en base a sus grandes dimensiones, características de forma y construcción; no es viable tratar de implementar una protección para un patio de tanques, por que como se expuso con anterioridad las dimensiones son considerables, y además los radios de protección de los pararrayos en la actualidad no son capases de cubrir toda esta área. El único inconveniente encontrado a lo largo de este estudio es que este sistema es viable, siempre y cuando se realice antes de la construcción de los tanques, ya que si se realiza con tanques en funcionamiento, resultaría un gran inconveniente, por que como se sabe, para realizar el S.P.T, se deben hacer perforaciones en el suelo para contener a la malla, y si en dado caso no son tomadas la medidas de seguridad pertinentes, en el peor de los casos se tendría una perforación de un tanque causando una catástrofe, además aun contando con las medidas necesarias y el equipo adecuado para laborar cerca del tanque, los servicios que este proporciona tendrían que ser suspendidos en lapsos de tiempos no muy largos, para evitar pérdidas económicas. El programa que fue desarrollado con el objeto de cumplir uno de los puntos de esta tesis, puede ser de gran ayuda para la industria petrolera, ya que pude agilizar el cálculo del nivel de protección y las características del sistema de tierras, dando un nuevo campo de aplicación para la Ingeniería Eléctrica, además de que puede ser ejecutado en computadoras de escritorio y portátiles, esta ultima da la opción de que el programa pueda ser ejecutado en campo.

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Anexos

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ANEXOS. Teorías sobre la formación de una descarga eléctrica. La explicación de cómo es formada una descarga eléctrica atmosférica es variada, esto es porque existen diferentes teorías que dan una explicación hacia este fenómeno, siendo todas validas para el objeto de estudio [2].

Teoría de Simpson. La teoría propuesta por Simpson es aceptable en el campo científico, ya que esta se fundamenta en experimentos de laboratorio. Manifiesta que la formación de cargas eléctricas en las nubes se debe a corrientes de aire presentes dentro de la nuebe; las corrientes ascendentes de aire transportan vapor húmedo del mar o de la superficie de la tierra, este vapor al encontrarse a una determinada altura y bajo condiciones atmosféricas propicias se condensa transformándose en gotas de agua. Cuando las gotas adquieren una dimensión y peso considerable caen sobre la superficie de la tierra por gravedad en forma de lluvia; en el trayecto de la caída estas gotas se encuentran con corrientes ascendentes, que provocan un rompimiento en las gotas de lluvia, esto genera que dichas gotas se dividan en gotas más pequeñas, de esta forma se crea un ciclo repetitivo, este ciclo desprende los iones negativos que son dispersados en la atmosfera; de igual forma son llevadas hacia arriba las gotas positivas fraccionadas por las corrientes de aire, donde a determinada altura se unen entre ellas formando gotas más grandes y posteriormente caer en forma de lluvia nuevamente. Cuando las gotas llegan a la zona de vientos fuertes aumenta su carga positiva desintegrándose nuevamente, en la siguiente figura se puede apreciar la distribución de las cargas en la nube según Simpson; la parte inferior de la nube logra una temperatura de 4ºC, en tanto que la parte superior alcanza una temperatura de -32ºC, estos gradientes de temperatura son fundamentales para la formación de la descarga eléctrica [2].

Fig. 1.4 Nube según Simpson con alturas y temperaturas usuales.

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Teoría de Elster y Geitel. Esta también es conocida como la teoría de la influencia eléctrica; plantea que en la nube existen gotas de gran volumen y otras de pequeño volumen; donde las de mayor volumen se precipitan y como sabemos caen a las superficie de la tierra en forma de lluvia, mientras que las de menor volumen son llevadas por las corrientes de aire hacia la parte superior de la nube. Dichas gotas son polarizadas por el campo eléctrico que tienen, cuyo gradiente en la superficie es de 100 V/m, una vez polarizada, las cargas positivas se colocan la parte inferior de la gota, en tanto que las cargas negativas se depositan en la parte superior. La gota cargada en su caída se encuentra con corrientes ascendentes de aire, produciendo una reducción de tamaño y generando un intercambio de cargas. La carga positiva predomina en las gotas pequeñas, mientras que en las gotas de mayor volumen predominan las cargas negativas, esto genera que estas dos gotas se mueven en diferentes direcciones; por lo tanto en la nube se almacenan cargas positivas en la parte inferior y cargas negativas en la parte superior [2].

Fig. 1.5 Gota de lluvia según Elster y Greitel.

Teoría de Wilson. Es también conocida como la ionización de la gota de lluvia, de igual manera que en la teoría de Elster y Geitel asume que el campo eléctrico influye en la ionización de la gota, con la diferencia de que Wilson asume que en la atmosfera existen una gran cantidad de pequeños iones negativos y positivos que se mueven en diferentes direcciones, con una velocidad de 1 m/s bajo la acción de un campo eléctrico con un valor de 1V/m. Como ya se sabe la gota está cargada en su parte superior por iones negativos y en la parte inferior por iones positivos, entonces la corriente sumada con los iones dispersados en la atmosfera, provocan que los iones positivos de la atmosfera o dentro de la nube atraigan a los iones negativos de la gota, al mismo tiempo que los iones positivos tanto de la atmosfera como los de la gota de agua se repelen y son transportados por el aire a la parte superior de la nube, escapando de la atracción superior de la gota, que continúa descendiendo con carga negativa. La nube entonces, tiene carga negativa en la parte media inferior y en la parte media superior tiene una carga positiva, la siguiente figura muestra una gota según la teoría de Wilson [2].

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Fig. 1.5 Imagen de una gota según Wilson.

Teoría de K. Berger. La descarga atmosférica o caída de un rayo depende del sentido de desarrollo que la nube puede descargar su parte positiva o su parte negativa (fig. 9). En un terreno despejado (llano) la caída de un rallo es descendente o dicho de otra manera a partir de la nube. En montaña o en presencia de una prominencia importante (torres elevadas o chimeneas de fabricas), lo más probable es que se produzcan una caída de rayo ascendente, que es altamente peligrosa, sobre todo la de tipo positivo [2].

Teoría de Schonland. 1. La caída del rayo comienza por un trazador, el cual se desarrolla en la nube y este progresa en saltos de 30-50 m hacia el suelo. El trazador está compuesto por partículas arrancadas de la nube por el campo eléctrico nube-tierra; dichas partículas forman un canal luminoso hacia el suelo. 2. Lo anterior favorece la creación de un canal ionizado, el cual se ramifica; una vez que este se encuentra a 300 m del suelo, se generan efluvios o chispas que salen del suelo y uno de ellos entra en contacto con la punta del trazador. 3. Aparece un arco eléctrico muy luminoso, el cual provoca la aparición del trueno, esto permite el intercambio de las cargas del condensador nube-tierra. 4. Por último se crea una sucesión de arcos subsecuentes cada vez menos intensos. En la siguiente grafica presentamos la descarga negativa descendente de un rayo [2].

Fig. 1.6 Imagen que muestra la caída del rayo negativa descendente (Sustraído de La protección contra el rayo gama PF/PE Merlin Gerin).

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Código del programa CALIXTO-87. clear all, clc; disp(' disp(' disp(' disp('

Programa CALIXTO-87') Instituto Politécnico Nacional') Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica') Unidad Zacatenco')

fprintf('\n') disp('A continuación usted ingresara los valores de la superficie de captura') fprintf('\n') fprintf('\n') h=input('Altura del tanque='); fprintf('\n') Ae=9*pi*(h^2);%Calculo de la Superficie de Captura Equivalente Ng=input('Ingrese el valor de la densidad anual de impactos de rayos en la región (impacto/ano*km2)='); fprintf('\n') %Selección del coeficiente de la situación de la estructura disp('

A continuación se mostraran la situaciones relativas a la estructura')

fprintf('\n') disp('Oprima (1), Si se trata de un área de tanques con la misma altura o arboles de la misma altura u/o con un altura superior al tanque') fprintf('\n') disp('Oprima (2), Si el tanque está rodeado de tanques con menor altura') fprintf('\n') disp('Oprima (3), Si se trata de un tanque aislado') fprintf('\n') disp('Oprima (4), Si el tanque es aislado y esta sobre una colina') fprintf('\n') opcion=input('Ingrese el número de la opción='); 125

fprintf('\n') if (opcion==1) C1=0.5; end if(opcion==2) C1=0.75; end if(opcion==3) C1=1; end if(opcion==4) C1=2; end Nd=(Ng*1.1)*(Ae*C1*1e-6);%cálculo de la frecuencia anual media de impactos de rayo. disp('Lo siguiente a realizar es el cálculo de la frecuencia aceptable de rayos (Nc)') fprintf('\n') %Decisión y cálculo del coeficiente (c). C2=2; %Esto debido a que es una estructura de metal-inflamable. fprintf('\n') fprintf('\n') disp(' tanque')

A continuación se dará una lista de qué tipo de contenido tiene el

fprintf('\n') disp('Oprima (1), Si el contenido no es inflamable') fprintf('\n') disp('Oprima (2), Si el contenido es normalmente inflamable') fprintf('\n') disp('Oprima (3), Si el contenido es particularmente inflamable') fprintf('\n') 126

disp('Oprima (4), Si el valor es muy inflamable o explosivo') fprintf('\n') contenido=input('Ingrese su elección='); if(contenido==1) C3=0.5; end if(contenido==2) C3=2; end if(contenido==3) C3=5; end if(contenido==4) C3=10; end fprintf('\n') fprintf('\n') disp(' A continuación se muestra una lista para saber qué tipo de ocupación tiene el tanque') fprintf('\n') disp('Oprima (1), Si la ocupación sobre el área del tanque es nula') fprintf('\n') disp('Oprima (2), Si el área del tanque es ocupada normalmente') fprintf('\n') disp('Oprima (3), Si el área es de difícil evacuación o con alto riesgo de pánico') fprintf('\n') ocupacion=input('Cual es el tipo de ocupación de dicha área='); if(ocupacion==1) C4=0.5; end 127

if(ocupacion==2) C4=3; end if(ocupacion==3) C4=7; end fprintf('\n') fprintf('\n') disp(' La siguiente lista es para elegir una opción acerca de la consecuencia sobre el entorno') fprintf('\n') disp('Oprima (1), Sin necesidad de continuidad en el servicio') fprintf('\n') disp('Oprima (2), Necesidad de continuidad en el servicio') fprintf('\n') disp('Oprima (3), Con consecuencia sobre el entorno') fprintf('\n') entorno=input('Elija la opción='); fprintf('\n') if(entorno==1) C5=1; end if(entorno==2) C5=5; end if(entorno==3) C5=10; end %Cálculo de la frecuencia establecida de impactos sobre una estructura. C=(C2*C3)*(C4*C5); 128

Nc=3e-3/C; if(NdNc)%If principal disp('Protección Necesaria') fprintf('\n') E=1-(Nc/Nd); %Cálculo de la eficiencia if(E>0.99) ejex=5;%longitud de la malla en el eje X. ejey=5;%longitud de la malla en el eje Y. l=5; ele=86; %Numero de electrodos. longitud=3; fprintf('\n') end

if(0.95Etoque) disp('Como la tensión de malla máxima es mayor que la tensión de toque, se realizara un rediseño') %Se debe verificar que la longitud del conductor de la red es menor que la %longitud mínima requerida. Lc=(R*Ki*Icc*Km*sqrt(tf))/(157+(0.235*Cs*R)); fprintf('\n') Rs=3000;%valor de la resistividad de la capa de grava. hs=0.15;% Espesor de dicha capa expresado en m. Cs1=0.09*(1-(R/Rs)); Cs2=(2*0.15)+0.09; Cs3=1-(Cs1/Cs2); %?Hecho esto se procede a calcular nuevamente la tensión de toque. Etoque=(1000+(1.5*Cs3*Rs))*(0.157/sqrt(ts)); %?Calculo de la tensión de paso. Epaso=(1000+(6*Cs3*Rs))*(0.157/sqrt(ts)); %?Si no modificamos las dimensiones de las mallas ni el número de %conductores para el eje X y el eje Y, tenemos que. Lc=lt+(ele*longitud); %?Se calcula nuevamente la resistencia de la red considerando la nueva % longitud total. R1=1+(1/(1+(0.5*sqrt(20/A)))); R2=1/sqrt(10*A); R3=R1*R2; rg=R*((1/Lc)+R3); %? Los valores que se utilizaron para el cálculo del factor de %espaciamiento para la tensión de la malla son los mismos, a excepción de Kii =1. Ki1=1; Km11=(D^2)/(16*h*dr); Km22=(D+(2*h))^2/(8*D*dr); 134

Km33=h/(4*dr); Km44=log(Km11+Km22-Km33); Km55=(Ki1/1.22)*log(8/(pi*(2*n-1))); Km1=(1/(2*pi))*(Km44+Km55); % Calculo de la tensión máxima de la malla. Em1=(R*Km1*Ki*Icc); Em2=1.22*(longitud/sqrt((lx^2)+(ly^2))); Em3=1.55+Em2; Em4=lt+[Em3*ele*longitud]; Em5=Em1/Em4; %Comparación de la Em vs Etoque. if (Em40.99) disp('El nivel de protección para el tanque es (I)') disp('Con una distancia de cebado de 20 m')

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disp('Con una malla de 5x5') end if(0.95