mc-tmdb-819.124-l-101 rev.0

EXPLORACION Y PRODUCCION

SUBDIRECCIÓN DE MANTENIMIENTO Y LOGÍSTICA

GERENCIA DE MANTENIMIENTO INTEGRAL MARINO

SUBGERENCIA DE INGENIERÍA DE PROYECTOS

TITULO DEL DOCUMENTO:MEMORIA DE CÁLCULO DEL SISTEMA DE PARARRAYOS

(SUBESTACIÓN ELÉCTRICA No. 8)

No. DE DOCUMENTO:MC-TMDB -819.124-L-101

“REUBICACIÓN, AMPLIACIÓN DE LA CAPACIDAD Y MODERNIZACIÓN DE LA SUBESTACIÓN ELÉCTRICA NO. 8 EN EL RECINTO PORTUARIO DE LA TMDB "

O.T.: 819-124-2012

PARAÍSO, TABASCO.

REVISIÓN: DESCRIPCIÓN: DETALLES ELABORÓ: REVISÓ: COORDINÓ: APROBÓ:APROBÓ:

CLIENTE:

0APROBADO

PARA CONSTRUCCIÓN

ING. R.P.A. ING. M.H.M. ARQ. I.H.O. ARQ. L.F.O.C ARQ. J.C.P.A.

FIRMA

FECHA SEP/2012 SEP/2012 SEP/2012 SEP/2012 SEP/2012

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Í N D I C E1.0. GENERALIDADES. 31.1. CONDICIONES AMBIENTALES. 32.0. PROCEDIMIENTO DE DISEÑO DEL SISTEMA DE PARARRAYOS. 32.1. INTRODUCCIÓN. 3

2.2. CONSIDERACIONES BÁSICAS PARA EL DISEÑ0 DE UN SISTEMA DE PARARRAYOS. 3

2.3. ZONAS DE PROTECCIÓN. 42.4. MÉTODO DE LA ESFERA RODANTE. 42.5. APLICACIÓN DEL MÉTODO DE LA ESFERA RODANTE. 5

2.6. FACTORES QUE INTERVIENEN PARA LA INSTALACIÓN DE UN SISTEMA DE PARARRAYOS. 5

2.7. INTERCONEXIÓN DEL SISTEMA DE PARARRAYOS CON EL SISTEMA GENERAL DE TIERRAS. 5

3.0. PROTECCIÓN DE LA SUBESTACIÓN ELÉCTRICA No.8 DE PROYECTO. 63.1. CONDUCTORES. 63.2. PUNTAS PARARRAYOS. 63.3. PREVENCIÓN DE DAÑOS. 63.4. LOCALIZACIÓN DE PUNTAS PARARRAYOS Y CONDUCTORES. 63.5. NÚMERO DE CONDUCTORES DE BAJADA. 73.6. INTERCONEXIÓN DE MASAS METÁLICAS. 73.7. CARACTERÍSTICAS DE LOS MATERIALES DEL SISTEMA DE PARARRAYOS 7

4.0. CÁLCULO DEL SISTEMA DE PROTECCIÓN CONTRA DESCARGAS ATMOSFÉRICAS. 7

4.1. IDENTIFICAR EL ÁREA A PROTEGER POR EL SISTEMA DE PROTECCIÓN CONTRA DESCARGAS ATMOSFÉRICAS. 7

4.2 ESTABLECER DE ACUERDO A LA NFPA-780-2011 Y LA NRF-048-PEMEX-2007 LOS REQUERIMIENTOS PARA MATERIAL A UTILIZAR EN EL DISEÑO DEL SISTEMA DE PROTECCIÓN CONTRA DESCARGAS ATMOSFÉRICAS.

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4.3. CALCULAR EL NÚMERO DE PUNTAS PARARRAYOS. 94.4. DISTRIBUCIÓN DE PUNTAS PARARRAYOS CALCULADAS. 94.5. CALCULAR EL NÚMERO DE CABLES DE BAJADA. 9

4.6.UTILIZAR EL MÉTODO DE LA ESFERA RODANTE INDICADO EN LA SECCIÓN 4.7.3 ROLLING SPHERE MODEL (MÓDELO DE ESFERA RODANTE) DE LA NFPA-780-2011.

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5.0. NORMATIVIDAD. 11

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1.0. GENERALIDADES.El desarrollo de la ingeniería eléctrica para la implementación del sistema pararrayos de la Subestación eléctrica No. 8 de proyecto, localizada en el recinto portuario de la Terminal Marítima Dos Bocas, tiene por objeto limitar las sobretensiones eléctricas debidas a descargas atmosféricas.

1.1. CONDICIONES AMBIENTALES.TODOS LOS MATERIALES ESTARÁN EXPUESTOS A LAS SIGUIENTES CONDICIONES AMBIENTALES

Temperaturas: Máxima promedio: 44 ºCMínima extrema: 12 ºCPromedio anual: 26 ºC.

Humedad relativa: Máxima: 95%Mínima: 70%Diseño: 100%.

Atmósfera: Marina tropical y altamente corrosiva.

Precipitación Pluvial: Máxima 88 mm/h.

2.0. PROCEDIMIENTO DE DISEÑO DEL SISTEMA DE PARARRAYOS.Este procedimiento define el criterio para el diseño de un sistema de pararrayos.

2.1. INTRODUCCIÓN.El principio fundamental en la protección contra descargas atmosféricas (rayos), es proporcionar un medio por el cual la descarga pueda entrar o salir de la tierra, sin pasar a través de partes no conductoras, el daño es causado por el calor y las fuerzas mecánicas generadas por la descarga en partes no conductoras; en las partes metálicas estos efectos son despreciables puesto que tienen suficiente área transversal.

Las descargas atmosféricas tienden a viajar por las partes metálicas que se extienden en la dirección de ellas; por esto puede evitarse el daño instalando elementos y conductores metálicos convenientemente aterrizados, de proporciones y distribuciones adecuadas.

De acuerdo al NFPA 780 “STANDARD FOR THE INSTALLATION OF LIGHTNING PROTECTION SYSTEMS.” art. 3.3.26.2 indica que en las construcciones estructurales se puede considerar que las partes metálicas constituyen un camino aceptable para las descargas atmosféricas, no se requiere cable, siempre y cuando esté perfectamente aterrizada. Sin embargo la instalación se hace más confiable instalando un sistema de pararrayos.

2.2. CONSIDERACIONES BÁSICAS PARA EL DISEÑO DE UN SISTEMA DE PARARRAYOS.2.2.1. Al diseñar un sistema de pararrayos se deben considerar los aspectos siguientes:

2.2.2. Anotación de los puntos o partes que con mayor probabilidad estarán sujetas a descargas, con objeto de instalar puntas para recibirlas, proporcionando una trayectoria directa a tierra.

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Las puntas pararrayos se deben de colocar con la altura suficiente para evitar el peligro de fuego causado por el arco.

2.2.3. Los conductores se deben instalar de manera que ofrezcan la menor resistencia al paso de la corriente de descarga entre las puntas de pararrayos y la tierra. La trayectoria más directa es la mejor; no deben tenerse curvas ni ondas cerradas pues el arco podría saltar en ellas. La impedancia a tierra en la práctica es inversamente proporcional al número de trayectorias separadas; por lo tanto de cada punta de pararrayos deberán partir al menos dos trayectorias.

Sin embargo se establecen las dos salvedades siguientes:

A).- Se permiten las bajadas desde un nivel más alto a otro más bajo, sin ninguna bajada extra, siempre que el tramo del conductor del nivel más bajo no tenga más de 12 m. (40 ft).

B).- Las terminales aéreas pueden ser “puntas muertas” con solamente un camino hacia el conductor principal, siempre que el tramo del conductor desde la terminal aérea hasta el conductor principal no tenga más de 5 m. (16 ft).

2.3. ZONAS DE PROTECCIÓN.2.3.1. Las zonas de protección son los espacios adyacentes al sistema de protección contra descargas atmosféricas que es sustancialmente inmune a las descargas directas de rayos.

La zona de protección es como se indica en el artículo 4.7.3.1 de la NFPA-780 o equivalente, considerando el concepto de esfera rodante para edificios como lo define el artículo 4.7.3 de la NFPA-780.

2.4. METODO DE LA ESFERA RODANTE

El método de la esfera rodante consiste en rodar una esfera imaginaria sobre tierra, alrededor y por encima de la instalación a proteger o cualquier otro objeto en contacto con la tierra, capaz de actuar como un punto de intercepción de la corriente de rayo. La esfera imaginaria debe rodarse (desde el nivel de tierra o del nivel inferior de la instalación) hacia la estructura a proteger e instalar una terminal aérea en el primer punto de contacto con la estructura, esta primera terminal aérea se conoce como PIVOTE, cuya altura debe ser suficiente para que la esfera no toque la estructura cuando ésta se apoye sobre tierra y sobre la punta de la terminal aérea PIVOTE. Una vez especificado el primer punto de sacrificio para la corriente de rayo, debe rodarse la esfera por encima de la terminal aérea PIVOTE y hacia el techo de la estructura e instalar una terminal aérea de intercepción en todos aquellos puntos donde la esfera imaginaria toque la estructura o edificio a proteger, este proceso debe mantenerse hasta cubrir la totalidad del edificio o estructura a proteger. El espacio comprendido bajo el rodamiento de la esfera representa el volumen protegido (ver Figura 1).

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Figura 1. Método de la esfera rodante

Si se usan varias puntas o mástiles, la región cubierta entre ellos es algo mayor que el total de las regiones cubiertas por cada uno de ellos considerados individualmente.

2.5. APLICACIÓN DEL MÉTODO DE LA ESFERA RODANTE.

Por su característica volumétrica, el método de la esfera rodante puede aplicarse sobre cualquier estructura. El radio de la esfera rodante rs debe ser de 46 m de acuerdo a la sección 4.7.3.1 de la NFPA 780.

En las siguientes figuras, se muestra la aplicación del método de esfera rodante sobre el edificio de la Subestación Eléctrica No. 8 de proyecto. La esfera se hizo rodar desde el plano del área a proteger hasta tocar la superficie de la estructura, colocando las terminales aéreas en cada punto que tocaba la esfera, determinando así el número y ubicación de estas terminales, tomando en cuenta los equipos que se instalarán en la azotea.

2.6. FACTORES QUE INTERVIENEN PARA LA INSTALACIÓN DE UN SISTEMA DE PARARRAYOS.2.6.1. La necesidad de protección varía con cada región, aunque no necesariamente en proporción directa a la frecuencia de tormentas, ya que unas cuantas de gran severidad pueden obligar al uso de una protección mayor que la necesaria para un gran número de ellas de intensidad media.

2.6.2. Una descarga atmosférica sobre un edificio constituye un serio peligro para el personal que labora en ellas y para los equipos.

2.7. INTERCONEXIÓN DEL SISTEMA DE PARARRAYOS CON EL SISTEMA GENERAL DE TIERRAS.El sistema de pararrayos debe ser independiente de la red general de tierras, sin embargo las dos redes se deben interconectar entre ellas en un punto de la red con cable aislado de un tamaño (calibre) menor al de la red (no menor a calibre 6 AWG), con la finalidad de evitar diferencias de potenciales entre ellas.

Por lo que se instalará un conductor cal. 4 AWG, con aislamiento color verde, para la interconexión del sistema pararrayos y la red general de tierra de la Subestación Eléctrica No. 8 de proyecto.

3.0. PROTECCIÓN DE LA SUBESTACIÓN ELÉCTRICA No. 8 DE PROYECTO.

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3.1. CONDUCTORES.3.1.1. Los conductores que se utilizan para los sistemas de protección contra descargas atmosféricas en las instalaciones de Pemex son de clase II, de acuerdo con el numeral 8.11.2 (h) de NRF-048-PEMEX-2007.

Clase II: Conductor desnudo, compuesto de conductores de cobre electrolítico, con un contenido mínimo de 99,9 por ciento de pureza, temple suave, dispuestos en pares y cuadretes, cableados entre sí. El conductor debe tener 28 hilos como mínimo, un diámetro mínimo de 13,3 mm y un área transversal mínima de 58,00 mm².

3.1.2. Los conductores deben ser de cobre, de fabricación especial para sistema de pararrayos, con área transversal equivalente al menos de tamaño (calibre) 2/0 AWG y 558 g/m.

3.1.3. Las uniones entre conductores se deben de reducir al mínimo, en caso de ser necesarias deberán ser mecánicamente fuertes y de conductividad eléctrica adecuada, y asegurada con un área de contacto no menor del doble del área transversal del conductor.

3.1.4. Los conductores se deben fijar sólidamente al edificio o estructura mediante abrazaderas para cable, estos deben ser de tal naturaleza que no propicie la corrosión electrolítica en presencia de humedad y una atmósfera corrosiva. La separación entre soportes no será mayor de 0.90 m. para conductores verticales y de 0.90m. para conductores horizontales.

3.2. PUNTAS PARARRAYOS.3.2.1. Las puntas pararrayos se deben de fijar sólidamente a su base, formando parte de ella. El área transversal conductora de la base será al menos equivalente al área transversal de la punta.

3.2.2. La terminal aérea debe ser una pieza sólida de cobre, acero inoxidable o aleaciones de cobre, longitud no menor de 254 mm y con un diámetro no menor a 16 mm. La parte roscada de la terminal debe tener como mínimo cinco cuerdas y la cuerda debe ser estándar. La punta de la terminal puede ser en pico o semiesférica. 3.2.3. La altura de las puntas será como mínimo de 254 mm sobre el objeto protegido. Una superficie plana posiblemente requiera más de 25 cm. de altura; en general, la altura dependerá del carácter y contorno del objeto a proteger.

3.3. PREVENCIÓN DE DAÑOS.3.3.1. En virtud de que la totalidad del sistema de pararrayos está expuesta a la humedad y a una atmósfera corrosiva (sal, gases corrosivos, etc.), deberá implementarse un programa de mantenimiento periódico dependiendo de la naturaleza de dicho ambiente corrosivo.

Se recomienda una inspección visual del sistema una vez al año y una inspección a fondo de todo el sistema cada cinco años, conforme a lo indicado en B.5. del anexo B del NFPA-780.

3.4. LOCALIZACIÓN DE PUNTAS PARARRAYOS Y CONDUCTORES.En general, las puntas pararrayos se deben de colocar en todas las partes que sean probables puntos de recepción de descargas y que sean dañadas por ellas.

3.4.1. Las partes metálicas de la instalación y otros objetos que son probables puntos de recepción de descargas, pero que no son apreciablemente dañados por ellas, no necesitan ser protegidos con puntas pararrayos pero deben conectarse sólidamente al sistema con cable del mismo calibre que el conductor principal.

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3.4.2. Los cables para las derivaciones se deben instalar sobre las estructuras existentes soportadas con abrazaderas de cobre, y para la conexión se utilizarán conectores a compresión (ponchable).

3.5. NÚMERO DE CONDUCTORES DE BAJADA.Los conductores de bajada se instalarán de preferencia en esquinas opuestas diagonalmente en estructuras cuadradas o rectangulares, y en puntos opuestos diametralmente en estructuras cilíndricas.

3.6. INTERCONEXIÓN DE MASAS METÁLICAS.Los objetos metálicos de tamaño considerable que están instalados dentro de la estructura o cerca de ella, serán interconectados al sistema de pararrayos. La interconexión evita la aparición de chispas o arcos, entre algún punto del sistema y dichos objetos metálicos, en el momento de la descarga; el principio básico, es la localización de lugares donde sea mayor la tendencia a producirse arco, para proporcionarles trayectorias metálicas.

3.6.1. Objetos metálicos en el exterior. Estos objetos se deben de conectar al sistema de pararrayos en un punto que será el más alto de dicho objeto o el más cercano al conductor del sistema, si son de tamaño considerable se conectarán también en su punto más bajo o el más lejano al conductor del sistema de pararrayos.

3.6.2. Para las interconexiones a los equipos se utilizarán conductores de cobre, de calibre 2 AWG como mínimo, puesto que en caso de una descarga directa, la mayor parte de la corriente puede fluir a tierra a través de dicho objeto.

3.7. CARACTERÍSTICAS DE LOS MATERIALES DEL SISTEMA DE PARARRAYOS. Cada elemento del sistema de pararrayos debe cumplir con lo siguiente:

-Resistencia a la corrosión.-Conductividad Eléctrica.--Resistencia Mecánica.-Deben estar libres de compuestos tóxicos que dañen el medio ambiente.

4.0. CÁLCULO DEL SISTEMA DE PROTECCIÓN CONTRA DESCARGAS ATMOSFÉRICAS

4.1. IDENTIFICAR EL ÁREA A PROTEGER POR EL SISTEMA DE PROTECCIÓN CONTRA DESCARGAS ATMOSFÉRICAS.

Como primer punto del diseño del sistema de protección contra descargas atmosféricas en la Subestación Eléctrica No.8 de proyecto, es establecer el área a proteger así como los puntos más altos de la estructura para instalar las puntas pararrayos, la partes más altas del edificio está en el nivel sobre la losa de N.P. +20.202.

4.2. ESTABLECER DE ACUERDO LA NFPA-780-2011 Y LA NRF-048-PEMEX-2007 LOS REQUERIMIENTOS PARA MATERIAL A UTILIZAR EN EL DISEÑO DEL SISTEMA DE PROTECCIÓN CONTRA DESCARGAS ATMOSFÉRICAS.

La altura del edificio de la Subestación Eléctrica No. 8 de proyecto es de 11.90 m, y de acuerdo a la sección 4.1 general de la NFPA-780-2011, establece que para las estructuras que no exceden los 23 m de altura los

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requerimientos mínimos del material a utilizar para el diseño deben ser de acuerdo a la tabla 4.1.1.1(A), sin embargo el numeral 8.11.2(h) de la NRF-048-PEMEX-2007 indica que se debe aplicar puntas de pararrayos sólidas de al menos 16 mm ø (1/2”) y de 25 cm de longitud y los cables deben ser de cobre, de fabricación especial para sistema de pararrayos, con área transversal equivalente al menos de tamaño (calibre) 2/0 AWG y 558 g/m, cuyas características están de acuerdo a la tabla 4.1.1.1(B), que se indica a continuación:

Table 4.1.1.1(B) Minimum Class II Material Requirements

Copper Aluminum

Type of Conductor Parameter SI U.S. SI U.S.

Air terminal, solid Diameter 12.7 mm 1⁄2 in. 15.9 mm 5⁄8 in.

Main conductor, cable Size each strand 15 AWG 13 AWG Weight per

length 558 g/m

375 lb/1000 ft 283 g/m 190 lb/1000 ft

Cross section area

58 mm2

115,000 cir. mils 97 mm2 192,000 cir. mils

Bonding conductor, cable

Size each strand 17 AWG 14 AWG

(solid or stranded) Cross section area

26,240 cir. mils 41, 100 cir. mils

Bonding conductor, solid strip

Thickness 1.30 mm

0.051 in. 1.63 mm 0.064 in.

Width 12.7 mm

1⁄2 in. 12.7 mm 1⁄2 in.

Main conductor, solid strip

Thickness 1.63 mm

0.064 in. 2.61 mm 0.1026 in.

Cross section area

58 mm2 115,000 cir. mils 97 mm2 192,000 cir. mils

Para el diseño del sistema de protección contra descargas atmosféricas, se utilizar el siguiente material:

Punta maciza de pararrayos tipo Faraday de cobre cromada de 300 mm de longitud y 16 mm ø.

Mástil tubular de acero al carbón.

Cable especial trenzado para sistema de pararrayos temple suave, desnudo, formado por 28 hilos de cobre cal. 14 AWG, 558 g/m (equivalente a un calibre 2/0 AWG).

Conector de cobre a compresión tipo "T" para cable pararrayo equivalente a cal. 2/0 AWG.

Abrazadera de cobre para cable de cobre trenzado cal. 2 AWG ó 2/0 AWG.

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4.3 CALCULAR EL NÚMERO DE PUNTAS PARARRAYO.

Este cálculo se realiza con base al método de la esfera rodante, debido al área irregular que presenta.

4.4 DISTRIBUCIÓN DE PUNTAS PARARRAYOS CALCULADAS.

Figura 3. Distribución de las puntas Pararrayos.

4.5 CALCULAR EL NÚMERO DE CABLES DE BAJADA

La NFPA-780-2011 en la sección 4.9.10 down conductors (conductores de bajada), indica que al menos deben instalarse dos conductores de bajada.

4.6 UTILIZAR EL MÉTODO DE LA ESFERA RODANTE INDICADO EN LA SECCIÓN 4.7.3 ROLLING SPHERE MODEL (MODELO DE ESFERA RODANTE) DE LA NFPA-780-2011(FIGURA 4).

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Figura 4. Método de la esfera rodante.

5.0. NORMATIVIDAD.

NFPA 780 NATIONAL FIRE PROTECTION ASSOCIATIONS (LIGHTING PROTECTION CODE 2011)

NOM-001-SEDE-2005. INSTALACIONES ELÉCTRICAS (UTILIZACIÓN).

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NRF-048-PEMEX-2007 DISEÑO DE INSTALACIONES ELÉCTRICAS.

NMX-J-549-ANCE-2004 SISTEMA DE PROTECCIÓN CONTRA TORMENTAS ELÉCTRICAS- ESPECIFICACIONES, MATERIALES Y MÉTODOS DE MEDICIÓN.

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