UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA

PROYECTO SEGURIDAD ELECTRICA

APANTALLAMIENTO PARA UNA ESTACION DE BOMBEO

CÉSAR LEONARDO CHAVARRO GONZÁLEZ 223017

NICOLAS RODRIGUEZ 25441248

I. INTRODUCCION

Alrededor del planeta constantemente están cayendo descargas atmosféricas en alguna parte. La frecuencia con la que caen depende de condiciones de cada región. Colombia es un país que por su ubicación y conformación sufre de gran cantidad de descargas atmosféricas en forma de rayos. La intensidad media de estos rayos es de 20 mil amperios pero se han registrado descargas de hasta 200 mil amperios.

Los efectos de un rayo dependen de si es un impacto directo o indirecto. Los impactos directos son los más peligrosos en especial para la vida humana en tanto los impactos indirectos afectan más a equipos conectados a redes.

No es posible ni deseable evitar las descargas atmosféricas, pero si es posible protegerse contra estas controlando el paso de la corriente y así prevenir el daño en personas y propiedades.

La principal medida de protección es interceptar la trayectoria del rayo y conducirlo a lo largo de un conductor de baja resistencia, con el fin de que no se recaliente y que no produzca elevados niveles de voltajes durante la descarga. Esta interceptación se realiza por medio de puntas captadoras ubicadas en la parte alta de los edificios y conectadas con los cables o bajantes que dirigen la descarga a tierra.

Para calcular la dimensión, cantidad y posición de pararrayos que requiere una edificación existe el método de las esferas rodantes. Para aplicarlo se hace rodar una esfera imaginaria sobre la estructura en todas las direcciones. De esta forma se define la ubicación de las puntas captadoras en los puntos de contacto entre la esfera y la superficie de la edificación.

Usamos el método de la esfera rodante permitido por las normas

Figura 1. Método esfera rodante, fuente NTC 4552-3

II. PLANOS AUTOCAD

DATOS GENERALES:

Nombre del Proyecto: PROTECCION ESTACION BARRANCA.

Dirección del proyecto: Km 10 vía Barrancabermeja - Bucaramanga.

Municipio: Barrancabermeja

Departamento: Santander

DESCRIPCIÓN DE LA ESTRUCTURA

Este proyecto corresponde a una instalación de protección para rayos junto con su sistema de puesta a tierra en una estación de bombeo localizada en zona aledaña al municipio de Barrancabermeja Santander.

OBJETIVO DEL PROYECTO

El objetivo del proyecto es la evaluación del nivel de riesgo frente a rayos y por consiguiente el diseño de protección respectivo, donde se incluye la instalación de los conductores de puesta a tierra, con sus respectivas conexiones.

DATOS DEL EDIFICIO

Alto: 20 metros

Ancho: 60 metros

Largo: 30 metros

Material de la estructura: Concreto y estructura metálica.

Características de construcción y contenido: Común y elementos de combustión.

Según la NTC 4552-3, en su anexo D.5.5.2, los tanques que cuenten con autoprotección no necesitan protección adicional contra rayos. Esta autoprotección consiste en paredes con espesor no menor a 5 mm de acero o 7 mm de aluminio. Adicionalmente la estructura del tanque debe tener puesta a tierra conectada a la puesta a tierra de la edificación principal.

Características del sistema a implementar:

Radio de la esfera rodante: 40 metros

Distancia promedio de las bajantes: 30 metros

Materiales y dimensiones para bajantes: Aluminio 50mm2

Materiales y dimensiones para puntas: Aluminio 5/8 “

Materiales y dimensiones para electrodos de puesta a tierra: Cobre 1/0 50mm2

Numero de bajantes: 6

Objetivos cercanos: Arboles

Características de contenido: Explosivo e inflamable

SELECCIÓN DEL CONDUCTOR

Según lo pedido por norma y que cumpla con el cumplimiento para evitar un daño tenemos lo siguiente:

Calibre seleccionado:

- 1/0 AWG Cobre 50 mm2- 1/0 AWG Aluminio 50 mm2- 5/8 pulgadas Aluminio

A continuación presentamos datos sencillos para entender el plano de Autocad, que más adelante se especifican cada uno de los elementos que serán mencionados.

Datos del plano:

- En el edificio

21 puntas captadoras de 2.5 metros c/u. 5/8” aluminio.

6 bajantes de 20 metros c/u. Calibre 1/0 aluminio.

(Conexión entre puntas y bajantes) 48 metros en total Calibre 1/0 aluminio.

6 conductores de PT de 2.4 metros c/u. Cobre. 1/0

Conexiones entre PT 240 metros en total Calibre 1/0 aluminio.

- En el tanque de almacenamiento

2 conductores de PT 2.4 metros c/u. Cobre.

(Conexión entre puntas y bajantes) 30 metros en total. Calibre 1/0 aluminio.

- Entre el tanque y el edificio

Conexión entre conductores de PT 120 metros. Calibre 1/0 aluminio.

Estos datos serán tenidos en cuenta para el informe más adelante y estudiados para cada sistema.

Figura 2 .Sistema completo de protección contra rayos

Figura 3. Puntas, bajantes, PT, conexiones.

Figura 4. Conexiones de los conductores de PT.

Figura 5. Conexiones puntas con bajantes.

Figura 6. Sistema conectado de malla PT.

Figura 7. Zona protegida.

III. INFORME

A. Análisis general

Usamos un método de diseño permitido en las normas que es el método de la esfera rodante que según la norma NTC 4552-3, es aplicable para edificaciones o estructuras con alturas menores a 55m, nuestra altura es de 20m entonces es aplicable según la norma. El porqué de si este método se basa en que en datos de estructuras promedio de 60m existe un alto riesgo en que los rayos las impacten por los lados. Por ello nuestro método en este caso es eficiente y seguro.

Tenemos que tener en cuenta que dependiendo el nivel de protección de acuerdo con la NTC 4552-1, y como escogimos el método de la esfera rodante su radio podemos escogerlo solo con unos valores máximos que nos da la norma, y la encontramos en la tabla 2 de la NTC 4552-3, llamada valores máximos del radio de la esfera rodante según el nivel de protección.

NIVEL DE PROTECCION RADIO DE LA ESFERA (METROS)NIVEL I 35NIVEL II 40NIVEL III 50NIVEL IV 55

Para nuestro caso de una estación de bombeo debemos trabajar como máximo en nivel II que son radios de la esfera de 40m. Uno como diseñador es libre de escoger el radio de la esfera siempre y cuando cumpla las reglas y si la cumple puede ser el radio inferior a esta.

BAJANTES

Por norma deben haber un número mínimo de dos bajantes, su importancia radica en que las bajantes son en gran parte el éxito de una instalación de este tipo, debido a que por ella fluye las corrientes, que pueden causar daños en el sistema externo, y así esta fluya hasta tierra, pero debemos cumplir los requisitos de las normas.

Como tener en cuenta que deben existir varios caminos paralelos para que fluya esta corriente, donde esta sea llevada a tierra por caminos de longitud que sea lo menor posible. Nuestro proyecto se destinaron 6 bajantes en la estructura así corramos menos riesgos.

PUESTA A TIERRA

En la parte final de la construcción del sistema de protección, uno de los temas más importantes es como dispersar y disipar estas corrientes que vienen por las bajantes, por ello los sistemas de puesta a tierra son muy importantes, Según la norma la forma de las puestas y sus dimensiones son criterio de los del diseño.

B. Análisis de riesgos

En cualquier proyecto que realiza para prevenir riesgos, se deben tener en cuenta las normativas que han sido precisamente hechas para establecer procedimientos que mitiguen los riesgos. En la NTC 4552-2 se maneja este tema, y deja claro los procedimientos para la evaluación del mismo. Donde se debe tener un riesgo máximo tolerable y así proceder a la selección de medidas de protección que se deben adoptar para que este riesgo se reduzca y sea permitido.

Es importante tener en cuenta el objeto a proteger, que sería nuestra estructura de servicio a ser protegida contra los efectos de un rayo, y así conocer que se requiere para protegerla, tenemos una estación de bombeo que conlleva un riesgo grande que pueda haber en algún accidente de este tipo.

Características de la zona.

En Colombia existen zonas de hasta 10 rayos por kilómetro cuadrado al año y otras donde la descargas son mínimas.

Figura 8. Zona de ubicación de la estructura. Fuente Excel Ing. Favio Casas.

En la zona donde vamos a analizar el riesgo es el área de Santander donde según el mapa de DDT (Densidad de rayos a tierra) es de 5 rayos por kilómetro cuadrado al año. Esta medida sirve para determinar el riesgo que se corre en una zona de que caiga una descarga atmosférica.

La estación de bombeo estará en un área rural, con baja densidad de vegetación en los alrededores con árboles no muy altos y sin estructuras altas cercanas.

Un rayo puede causar en la estación de bombeo

En un caso que un rayo impactara en la estación de bombeo podrían causar:

- Un daño mecánico, fuego y/o explosión que sería causado por el arco caliente ionizado del rayo, o también puede ser causado por la alta temperatura del conductor y por ultimo también por la carga que origina un arco corrosivo en otras palabras el materia del conductor derretido, tener presente que estamos en un ambiente muy caluroso y donde una explosión o fuego es bastante peligroso.

- Fuego y/o explosión iniciado por las chispas, que pueden ser originadas por altas tensiones resultantes en los acoples al paso de la corriente del rayo.

- Un tema conocido que es peligroso podría ser los riesgos que corre una persona que si llega a sufrir en una tensión de contacto o de paso resultado de los acoples.

- Alguna falla o sencillamente un mal funcionamiento en los sistemas internos que fuera causado por el impulso electromagnético del rayo.

- Tener en cuenta la seguridad de los alrededores, debido que a la caída de un rayo podemos sufrir con el impulso electromagnético del rayo al ser impactado cerca de la estructura y más aun con riesgos tan altos en el momento de una explosión y así mismo el fuego.

Efectos del rayo en una estructura

En nuestro caso analizaremos los efectos dependiendo nuestra estructura que es una estación de bombeo pero dejando claro otras características que pueden ser peligrosas al momento de una caída de un rayo.

- Construcción

Una construcción de madera, ladrillo, concreto, concreto reforzado, construcción en marco de acero. Tener en cuenta que el edificio cercano será en concreto con otros materiales y nuestro tanque de almacenamiento será de acero. Tenemos que los tanques cuentan con autoprotección por ello no necesitan protección adicional contra rayos. Esta autoprotección consiste en paredes con espesor no menor a 5 mm de acero o 7 mm de aluminio. Adicionalmente la estructura del tanque debe tener puesta a tierra conectada a la puesta a tierra de la edificación principal.

- Función

Nosotros tenemos un caso de una planta industrial, de allí los riesgos que lo conlleva, de tener en cuenta que existen más funciones como lo es vivienda, hospital, escuela etc., Y cada una tienes unos niveles de riesgos distintos.

- Ocupantes y contenido

Importante tema a tener en cuenta, prácticamente todos los sistemas tienen personas y algunos caso animales, y más aún para nuestro caso será de una presencia de materiales combustibles, materiales que son expulsivos con sistemas eléctricos de baja y media tensión.

- Acometidas entrantes

Tenemos lo normal como lo son líneas de energía ya nombradas junto a tuberías y las líneas de telecomunicaciones.

- Medida de protección

Estas medidas dependen de los posibles riesgos que se corren, como sabemos estas medidas lo que va a hacer es reducir los daños físicos y el peligro de perder la vida, por ello la protección reduce las fallas de sistemas internos.

- Grado de extensión del peligro

Esto depende de varios factores, en nuestro caso se corren varios peligros, como lo son principalmente en la estructura los peligros de sus alrededores, debido a un ambiente peligroso, donde entran otros posibles factores que son tenidos en cuentas en la evaluación de grados de peligro como lo es que en la estructura existan dificultades de evacuación o algo que es difícil de conocer completamente que es el pánico que puede ser originado.

Importante tener en cuenta luego de analizar estos efectos generales en una industria y más aún en una refinería estos son efectos importantes: Tendremos efectos adicionales dependiendo el contenido donde entra temas como daños inaceptables y pérdidas de producción pero teniendo muy en cuenta lo que es el fuego y mal funcionamiento de la planta que pueden haber consecuencias perjudiciales al medio ambiente.

Análisis de riesgos en daños y pérdidas

Nuestro proyecto es enfocado en evitar cualquier riesgo a un daño u accidente, más aun en un lugar donde cualquier accidente puede ser muy peligroso, por ello debemos tener en cuenta que una descarga eléctrica atmosférica puede causar daños en la construcción, en su contenido y en si su aplicación, en una estación de bombeo un rayo puede causar un incendio que puede llegar a ser muy grave en pérdidas económicas, ambientales y humanas. Si revisamos la norma, tenemos tres tipos básicos de daños, como:

D1- Lesiones a seres vivos

D2- Daños físicos

D3- Fallas de sistemas eléctricos y electrónicos

Por ello cada uno de estos daños, pueden venir solos o una combinación de ellos y de allí a distinguir las posibles pérdidas, donde también en la norma las especifican. También tenemos en la presente norma los siguientes tipos de pérdidas:

L1- Pérdida de vida humana

L2- Pérdida de servicio publico

L3- Pérdida de patrimonio cultural

L4- Pérdida económica (estructura y contenido, lucro cesante).

Por ello tenemos la siguiente tabla de la norma NTC 4552-2,

Manejo del riesgo

Por lo anterior debemos tener claro el manejo de estos riesgos y así, debemos tomar una decisión para proteger una estructura contra un rayo, por ello tenemos en cuenta los siguientes procedimientos:

- Identificar el objeto a proteger y sus características.

Luego de analizar que tenemos que proteger una estación de bombeo donde existe riesgos ya conocidos anteriormente, como lo son riesgos de perdida humana, un riesgo de pérdidas de valor económico, riesgo a tener pérdidas ambientales muy graves, por ello la importancia de tener protegido la estructura.

- Identificar todos los tipos de pérdidas en los objetos y riesgos pertinentes correspondientes R ( Riesgos anteriormente nombrados)

Ya nombrados e identificados en el transcurso del documento y dejado en claro que pueden ser un tipo de daño o un conjunto de ellos, estas pérdidas varían dependiendo del objeto a proteger.

- Evaluar el riesgo de cualquier tipo de pérdida

Este aspecto es importante por el riesgo R1 que es el de perdida humana siempre va a estar presente en cualquier accidente de tipo rayo, y también estará presente en un rayo que pueda caer en la estación de bombeo, por ello es muy tenida en cuenta, donde causaría un daño tipo D1 que es lesiones a seres vivos, el riesgo R2 de perdida de servicio público tenemos en cuenta que afecta un daño físico D2, donde en una planta de bombeo se pierden combustibles de la nación, y

posiblemente un corto de energía a lugares cercanos dependiendo del sector, y claro que tendremos una perdida nivel R4 de valor económico, serian grandes costos que causaría un accidente de este tipo, donde incluye un daño tipo D3.

- Evaluar la necesidad de protección

En este caso de la estación de bombeo existen riesgos altos por ello, es necesaria protección tipo R ' S ,R 'C , R 'V , R 'W , R 'Z. Que las explicaremos a continuación cada una ellas.

(‘) Solo para ductos metálicos sin continuidad eléctrica, que transporte fluido explosivo.

R ' S Componente relacionado a daños físicos debido a efectos mecánicos y térmicos de la corriente de rato a fluyendo a través de la acometida de servicio (Impacto en la estructura).

R 'C Componente relacionado a fallas de equipos conectados debido a sobretensiones por acople resistivo.

R 'V Componente relacionada con daños físicos debido a efectos mecánicos y térmicos por la circulación de la corriente de rayo.

R 'W Componente relacionada a las fallas de equipo conectado, debido a sobretensiones por acople resistivo. Perdidas del tipo L2 y L4 pueden ocurrir.

R 'Z Componente relacionada a la falla de líneas y equipos conectados causada por sobretensiones inducidas sobre la línea.

- Evaluar la conveniencia económica de protección

Esta evaluación se realiza a continuación pero dejamos en claro que protección para preservar la vida es obligatoria y en nuestro caso es necesaria una protección completa y más aún es exigida por norma teniendo en cuenta la estación de bombeo y sus implicaciones.

Tomando la metodología de Análisis de Riesgos por Rayos validado por el ingeniero Favio Casas, Introducimos los parámetros de la estructura para calcular el riesgo. Entre estos parámetros se encuentran las dimensiones de la estructura (60m, 30m, 20m), tipos de acometidas (subterráneas), riesgos de explosión (alto), entorno (rural con estructuras bajas) y nivel de protección (nivel 2). El algoritmo nos da la siguiente tabla:

Vemos que el riesgo es en pérdida de vidas humanas. Por lo tanto toca diseñar e implementar la protección contra rayos para eliminar este riesgo o por lo menos disminuirlo lo máximo posible.

Teniendo en cuenta estos datos, cabe señalar que el número de personas aproximado que habitan la estructura son 20 personas.

C. Elementos utilizados

A continuación presentamos los elementos utilizados por separado, como tenemos una estación de bombeo, entonces tomamos el edificio y el tanque por separado dependiendo sus elementos y también tenemos los elementos que se conectan entre ellos en otra tabla.

En el edificio

Implementación Descripción producto Cantidad # Medida c/uPunta

captadoraVARILLA LISA Al 5/8 PULGADAS 21 2.5 m

Bajantes CABLE Al ACSR 1/0 RAVEN 6 20 mConductores PT CABLE Cu DDO 1/0 AWG 6 2.4 m

Conexión Puntas bajantes

CABLE Al ACSR 1/0 RAVEN - 48 m

Conexiones PT CABLE Al ACSR 1/0 RAVEN - 240 m

- En el tanque de almacenamiento

Implementación Descripción producto Cantidad # Medida c/uConexión

Puntas bajantesCABLE Al ACSR 1/0 RAVEN - 30 m

Conductores PT CABLE Cu DDO 1/0 AWG 2 2.4 m

- Entre el tanque y el edificio

Implementación Descripción producto Cantidad # Medida c/uConexiones PT CABLE Al ACSR 1/0 RAVEN - 120 m

D. Costos

Luego de tener los elementos claros, entonces consultamos en Procables y HOMECENTER y presentamos los siguientes precios, adjuntamos documentos que certifican los costos en Excel.

Elementos Utilizados Costo Unitario por metro

Cantidad en metros Costo Total

VARILLA LISA Al 5/8 PULGADAS

$ 3745 52.5 $ 196.613

CABLE Cu DDO 1/0 AWG

$ 15.139 19.2 $ 290.669

CABLE Al ACSR 1/0 RAVEN

$ 2252 438 $ 986.376

Materiales varios( Uniones,soldadura,

aisladores, etc.)

- - $ 1’000.000

COSTO TOTAL 2’473.658

Los siguientes costos tendremos en cuenta la siguiente información.

- Necesitamos 1 ingeniero electricista, el cual tiene función pre y durante el proyecto, de los planos e información necesaria para la culminación y entrega del proyecto.

- Contamos con dos trabajadores técnicos que apoyan en el momento de instalación de todo el sistema de protección en cada uno de sus pasos supervisado por el ingeniero.

- Se necesitan dos trabajadores encargados de labores varias, como el apoyo a los técnicos con pie de fuerza, instalación andamios entre otros, como de cavar al momento de la instalación de las puestas a tierra.

- Alquiler de andamios por secciones, cada sección cuenta con 4 andamios y dos tablones.

- Costo por hora Cantidadhoras

Cantidadpersonas

Costo total

Tiempo de Ingeniería pre-proyecto

$ 200.000 30 1 $ 6’000.000

Tiempo de Ingeniería durante proyecto

$ 80.000 48 1 $ 3’840.000

Mano de obra técnica” Soldadura instalación” (POR

$ 15.000 48 2$ 1’440.000

ORDEN DE SERVICIO)

Mano de obra raza “Tirada de cable, excavación etc.”(POR ORDEN DE

SERVICIO)

$ 10.000 48 2 $ 960.000

Alquiler herramientas( martill

o, destornillador, etc.)

$ 3.000 48 - $ 144.000

Alquiler de equipos ( Teluro metro,

Amperímetros, etc.

$ 50.000 48 - $ 2’400.000

Transportes - - - $ 400.000Alquiler EPP $ 10.000 48 $ 480.000

Alquiler de andamios escaleras etc

(10 secciones).

$ 10.000 -Calculado para

completar instalación y la finalización por

algún imprevisto.

$ 200.000

COSTO TOTAL$ 15’864.000

COSTOS GENERAL TOTAL $ 18’337.658

IV. CONCLUSIONES

Una protección contra descargas eléctricas atmosféricas son de gran importancia en una estructura, debido a que está prestando una seguridad y así evitar daños ya mencionados, como los son lesiones a seres vivos, equipos eléctricos y electrónicos que son daños económicos. Todo teniendo en cuenta estar de mano a la norma técnica colombiana NTC 4552-1-2-3.

La evaluación deja claro que se necesita un sistema de protección frente a rayos, por ello se realiza la implementación de las medidas para así obtener un nivel de protección exigido por la norma.

En una evaluación del nivel de riesgo, tiene como objetivo cuidar una estructura frente a perdidas y daños, tanto como corporales o pérdidas humanas, hasta daños a la estructura incluyendo perdidas de tipo económico como ambiental.

Un sistema de puesta a tierra, es de vital importancia en las estructuras, debido a que con ella llevamos a tierra las corrientes que fluyen por los conductores provenientes de los rayos y así evitar daños y pérdidas graves.

Al ser una estructura con alto riesgo de explosión, es esencial la protección contra rayos. Por esto se hizo necesario el diseño y planteamiento del sistema de protección completo.

El método de esferas rodantes es un método efectivo para el diseño del sistema de protección en este caso. Su buena implementación disminuye los riesgos.

En cualquier proyecto el factor económico es muy importante al momento de escoger un proyecto u otro, pero en un buen diseño que cuide la vida, aparatos y todo lo que pueda llevar a pérdidas económicas, no se deben escatimar gastos cuidando una estructura.

Finalmente se recomienda por el nivel de riesgo tener medidas de protección contra incendio sencillas como extintores, salidas de emergencia. Pero tener en alerta el cuerpo de bomberos e instalación de sensores de fuego o un sistema de extinción.

Aunque la inversión económica es alta, el riesgo que presenta una estructura de estas características hace que este gasto sea necesario y tenga una retribución efectiva.

V. REFERENCIAS

[1] REGLAMENTO TECNICO DE INSTALACIONES ELÉCTRICAS RETIE.

[2] NTC 4552-1 PROTECCION CONTRA DESCARGAS ELÉCTRICAS ATMOSFERICAS (RAYOS).

[3] NTC 4552-2 PROTECCION CONTRA DESCARGAS ELÉCTRICAS ATMOSFERICAS (RAYOS).

[4] NTC 4552-3 PROTECCION CONTRA DESCARGAS ELÉCTRICAS ATMOSFERICAS (RAYOS).