Yo no ando loco por la electricidad estática, pero la estática si está loca sobre mi

19. YO NO ANDO LOCO POR LA ELECTRICIDAD ESTATICA, PERO LA ESTATICA SI ESTA LOCA SOBRE MI

SABIC, Mt. Vernon, Indiana 1

A lo largo de los años hemos escrito bastante sobre los Sistemas de Arreglo de Disipación (DAS) y los Sistemas de Protección contra descargas eléctricas atmosféricas (Rayos). También  hemos hablado de una buena cantidad de Instalaciones y estructuras que se pueden proteger y por supuesto de los equipos y dispositivos usados en los Sistemas DAS. Igualmente hemos hablado de los diferentes tipos de Industrias, de las soluciones más efectivas y la necesidad de entender y comprender lo que es el concepto PROTECCION para alcanzar realmente una PROTECCION integral  que incluya la prevención o eliminación de las corrientes de falla, por medio de un Sistema de Puesta a Tierra efectivo, y los efectos secundarios del rayo por eventos eléctricos transitorios mediante un Sistema de Surge TVSS (Transient  Voltage Surge System). Que es lo que no hemos escrito a cerca del DAS y la electricidad estática?  Pensamos que mucho.

Ahora, vamos a hablar de electricidad estática. Este es un buen motivo; recientemente encontramos que algunos de nuestros Clientes han hecho alguna correlación entre el DAS cuando diseñan e instalan un capuchón o remate (una rejilla de alambre de disipación en el tope, la cual se emplea para reducir la probabilidad de fuego en la corriente de iones debida a la descarga eléctrica atmosférica [rayo) y una significativa reducción de incendios debidos a la estática. Hemos recibido muchísimas preguntas sobre el DAS y la reducción del riesgo durante eventos de electricidad estática.

SABIC, Mt. Vernon, Indiana 2

Usar el DAS para reducir la electricidad estática, es nuevo para nosotros, aunque no nos sorprende, debido al diseño del DAS, pero admitimos que se requiere de mayor investigación. Sin embargo, una cosa es cierta, algunos de nuestros Clientes están usando el DAS para este propósito y dicen que ven una diferencia substancial.

Las instalaciones donde encontramos más recomendable esta solución es en las Plantas manufactureras de productos químicos, especialmente donde se tienen chimeneas de ventilación de Hidrógeno. Esto es debido a que las salidas de operación y paros de una Planta, pueden resultarle muy costosos a las Compañías, en algunos casos, millones de dólares por pérdidas en operación y producción.

En 1997 la NASA emitió un documento basado en una Norma que actualmente ha sido cancelada, pero que tiene mucha información sobre los problemas que causan incendios debidos a la electricidad estática. “Safety Standard for Hydrogen System”. Es muy recomendable visitar el sitio de google “Hycoplant.com” en la que se pueden consultar muchos documentos técnicos y Normas en donde aparecen las causas que pueden iniciar un incendio, sin faltar las más comunes que son las de los efectos primarios y secundarios de los rayos.

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Tener un Sistema Integral de PROTECCION contra descargas eléctricas atmosféricas (Rayos) es lo más adecuado, porque se pueden prevenir hasta el 100 % de los rayos en toda la PLANTA. Sin embargo se puede eliminar la electricidad estática en cualquier Instalación, a través de un buen Sistema de Puesta a Tierra. 

Ponemos a la disposición de Ustedes, sin costo, un Programa de Cálculo electrónico de muy fácil acceso en cualquier equipo electrónico (Teléfono, Tableta, Computadora con Sistema Operativo “Android”), también podemos asesorarles sin costo. Solo sigan el vínculo a continuación.

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GAF (Grounding Augmentation Fill)

18. GAF (GROUNDING AUGMENTATION FILL)

Feliz Navidad 2015 y Feliz Año Nuevo 2016

17. FELIZ NAVIDAD 2015 Y FELIZ AÑO NUEVO 2016

A todos nuestros Clientes y Seguidores, les AGRADECEMOS SU CONFIANZA Y PREFERENCIA Y LES DESEAMOS FELICES FIESTAS DECEMBRINAS Y LA REALIZACION DE TODAS SUS ESPECTATIVAS PARA EL AÑO 2016.

Es muy oportuno recordar que uno de los Fenómenos Meteorológicos Naturales más destructivo; es la “Descarga Eléctrica Atmosférica” o “Rayo” el cual tiene su origen en las “Nubes Cumulus Nimbus” o “Nubes de Tormenta”, las que se generan por cambios Meteorológicos en la Atmósfera, que pueden ser “corrientes de aire”, en áreas localizadas, a diferentes niveles sobre la superficie terrestre, con diferentes temperaturas (frio-caliente), que al chocar entre sí, forman: Huracanes, Tornados, Tormentas, Ciclones, etc., con una impredecible cantidad de  “Energía Centrífuga”, la cual generará un fenómeno eléctrico llamado “Ionización” transformando gran parte de la “Energía Centrífuga” en “Energía Eléctrica” que es el origen de los “Rayos”.

También existen otros fenómenos meteorológicos originados por el cambio climático de la Tierra de proporciones mayores causantes de los rayos ya que estas afectan a todo el Mundo; es el caso del Fenómeno conocido como “EL NIÑO”, el cual con el paso del tiempo y el cambio climático global se ha convertido en una amenaza mundial provocando: Sequías, Inundaciones, y feroces tormentas que no solo afectan la zona en donde se localiza y se crea “El Niño”.

Un satélite de la NASA ha encontrado la más poderosa evidencia de la formación y permanencia del “NIÑO” determinando la formación de una gigantesca masa de aguas cálidas que abarcan casi todo el Océano Pacífico a la altura del Ecuador. Hace 10 años la masa de aguas cálidas presentaba casi dos veces la totalidad del área de los Estados Unidos de Norte América, el crecimiento de esa masa es de 300% en relación con la amplitud que fue detectada la primera vez.

En otro indicio de la poderosa presencia del “NIÑO”, las mediciones de vapor de agua hechas por el satélite indicaron que los estados sudoccidentales de los Estados Unidos de Norte América como California y los del Noroeste de México como Baja California Norte y Sur, Sonora, Sinaloa, Chihuahua, Coahuila, Jalisco, Guerrero, Oaxaca, y Chiapas, en el Pacífico, y otros del Centro y Sureste están amenazados por Tormentas, lluvias torrenciales y rayos persistentes durante el verano e incluso durante el Invierno.

Fenómenos como “EL NIÑO” son determinantes en la formación de las Nubes de Tormenta o Cumulus Nimbus. Y definitivamente en el número de tormentas que aumentará la  “Densidad de Rayos por kilómetro cuadrado en las áreas afectadas, razón por la que deberá pensarse en la “Protección contra descargas eléctricas atmosféricas” de todas las instalaciones que tienen procesos continuos a fin de evitar salidas de operación y pérdidas económicas injustificadas.

LEC de México S.A. de C.V. se reitera a sus órdenes para asesorarles y atenderles con prontitud y eficiencia en la PROTECCION de sus Instalaciones.

Chem-Rod (Electrodo de tierra de muy baja resistencia)

16. CHEM-ROD (ELECTRODO DE TIERRA DE MUY BAJA RESISTENCIA)

Dissipation Array System (DAS)

15. DISSIPATION ARRAY SYSTEM (DAS)

Protección contra descargas eléctricas atmosféricas (rayos)

14. PROTECCION CONTRA DESCARGAS ELECTRICAS ATMOSFERICAS (RAYOS)

Shunts en el techo flotante del tanque

Los incendios de los tanques de almacenamiento de productos derivados del petróleo, son más frecuentes de lo que se puede pensar. Aproximadamente una tercera parte de todos los incendios conocidos de tanques de almacenamiento de hidrocarburos, son originados por descargas eléctricas atmosféricas (rayos), (las más severas, son muy probablemente debidas a los rayos, pero nunca son reportados). Los tanques de Techo Flotante son especialmente vulnerables a las descargas eléctricas atmosféricas (rayos).

Para combatir el riesgo de los “anillos de fuego” en los tanques de almacenamiento, la industria petrolera ha venido usando derivaciones de láminas metálicas llamadas “shunts”  que conectan eléctricamente la concha o pared del tanque con el techo flotante. Desafortunadamente, la conexión eléctrica con esos “shunts” no es efectiva y crea un gran riesgo de generar arcos eléctricos debidos a:

1.- Corrosión y oxidación en la pared del tanque, depósitos de cera, y pintura pueden crear una capa interna en la concha del tanque, esto incrementa la resistencia eléctrica. 

2.- El techo flotante puede con el movimiento separarse ligeramente del centro y desconectar algunos de los “shunts” de la pared del tanque.

3.- Pruebas del API han demostrado que los “shunts” formaran arcos eléctricos bajo todas estas condiciones.

Alrededor del Año 2003 el Instituto Americano del Petróleo (API) creó un Comité técnico para evaluar esta situación para recomendar la solución adecuada. Como resultado, el API ha emitido un documento titulado API – RP -  545,  Recomendación Práctica para la Protección contra las descargas eléctricas de los Tanques de Almacenamiento sobre la tierra para líquidos inflamables o combustibles, la que se  integra a la Norma.

En este documento del 2009 “Mejorando la Seguridad contra las descargas eléctricas atmosféricas de los tanques de almacenamiento de Petróleo” participa Joe Lanzoni, V.P. de Ingeniería de Ventas para perfilar los descubrimientos y recomendaciones de los esfuerzos de los comités y mayores detalles. Sin embargo, los dos descubrimientos más importantes son los siguientes:

1.- Cuando la corriente de la descarga eléctrica atmosférica pasa através  de los “shunts” del techo flotante a la pared del tanque, el resultado será un arco eléctrico bajo todas las condiciones.

2.- Es la tardanza del componente del impacto del rayo lo que incendia los vapores inflamables. Por lo tanto, cuando el componente lento de un impacto de rayo pasa através de cualquier interface entre el techo flotante y la pared del tanque, los vapores inflamables están presentes y ellos iniciarán el incendio.

Además, el API en 2008/2009 liberó esta declaración en la actualización de la Norma “API RP 545 – LIGHTNING PROTECTION FOR ABOVE GROUND STORAGE TANKS”.

El proceso de actualización de “Pruebas” sigue funcionando con los siguientes resultados:

Para la Norma de Protección contra rayos NFPA 780, los shunts se requieren para ser instalados en los tanques de techo flotante arriba del sello a 3 metros (10 pies) espaciados alrededor del perímetro del tanque. El propósito de estos shunts es para ofrecer un medio conductor desde el techo del tanque a la pared del tanque. 

Las pruebas efectuadas de acuerdo con la Norma NFPA RP 545, “Lightning Protection for above Ground Storage Tanks” el grupo encargado de estas pruebas ha demostrado que estos shunts pueden generar flujos de chispas durante el impacto de las descargas eléctricas atmosféricas (rayos). Si esta es una brecha entre el sello y la pared del tanque durante un impacto de rayo y si la mezcla inflamable está presente, puede resultar el fuego dentro del tanque.

Luego entonces, la mejor protección contra la descarga eléctrica atmosférica es un sello con un contacto permanente y hermético con la pared del tanque, esto refuerza la necesidad de establecer programas de inspección de los sellos y de mantenimiento. También, el acceso a los tanques deberá ser restringido, cuando exista la posibilidad de tormenta y descargas eléctricas atmosféricas (rayos).

De acuerdo con la Norma API RP 545 los programas de trabajo deben ser planeados para efectuar pruebas adicionales a fin de evaluar métodos alternativos que ofrezcan medios conductores entre el techo del tanque y la pared del tanque para conseguir el propósito de la NFPA 780. Los resultados de las pruebas y la disminución de los valores recomendados deberán incluirse en una nueva RP 545 “ Lightning Protection for Above Ground Storage Tanks”.

En una respuesta a esta emisión el Comité hizo algunas recomendaciones una de las cuales es: “Instalar conductores [bypass] entre el techo flotante y la pared del tanque con una separación entre ellos no mayor a 30 metros, alrededor de la circunferencia del tanque. Estos conductores [bypass] deberán ser tan cortos como sea posible y espaciados uniformemente alrededor del techo.

Esto fue y es la razón principal que catapultó el invento del RGA (Retractable Grounding Assembly.

PORQUE EL RGA!!!

Los tanques de techo flotante son especialmente vulnerables a los efectos directos e indirectos a las descargas eléctricas atmosféricas. Un impacto de rayo directo o cercano originará corrientes eléctricas que fluirán através de toda la pared y el techo del tanque. Cuando ocurra esto, en la interface entre el techo flotante y la pared del tanque se formarán arcos eléctricos que pueden incendiar los vapores inflamables que pueden estar presentes dentro del tanque.

Por lo tanto, es importantísimo conectar eléctricamente el techo y la pared del tanque para prevenir esos arcos eléctricos.

Substancialmente se reduce el riesgo de los arcos eléctricos sostenidos que se requiere eliminar  todo el tiempo, para mantener una bajísima impedancia, muy baja resistencia eléctrica de conexión entre la pared y el techo del tanque. Adicionalmente, la conexión deberá funcionar independientemente de las condiciones en que se encuentre la pared del tanque.

El RGA no se afecta por las condiciones del tanque porque el RGA y el cable están enrollados para condiciones óptimas sobre la pared del tanque y el techo flotante. Cuando se instalan adecuadamente, varios RGA’s en cada tanque, se provee un medio conductor de baja impedancia, para descargar con seguridad las corrientes del rayo.

Desde que comenzó a usarse, el RGA ha sido mejorado varias veces para alcanzar las exigencias de una industria siempre cambiante, nuevas substancias y nuevas tecnologías. Con la versión más reciente, el RGA 750 ha sido incorporado al mercado en la primavera del 2015, no solamente cumple con todas las recomendaciones y la Norma API 545, también cumple con las recomendaciones del mencionado Comité Técnico. Está aprobado por ATEX y conforme a la Norma NFPA 780. Además, es  pre-tensionado en fábrica y no en el sitio donde se requiere; usa el nuevo cable de aluminio lo que incrementa considerablemente su resistencia a la corrosión y es altamente resistente al H2S (hydrogen sulfide. Sin mencionar que está diseñado con poderosos resortes para el cable retráctil, resultando en beneficio de un incremento en la fuerza retráctil sobre todo el cable con rango de beneficio económico de 340% sobre el RGA 75, y de 600% sobre el RGA 55.

Arqueo eléctrico del RGA

Los factores de riesgo relacionados con la aplicación de sistemas de arreglo de disipación para la prevención de rayos

13. LOS FACTORES DE RIESGO RELACIONADOS CON LA APLICACIÓN DE LOS SISTEMAS DE ARREGLO DE DISIPACION PARA LA PREVENCION DE RAYOS

Antecedentes

El Sistema de Arreglo de Disipación (DAS) fue desarrollado como un Sistema de Prevención de Impactos de Rayo. Ahora, a 44 años después de la instalación del primero existen más de 15000 sistemas, hemos encontrado que la prevención de los impactos de rayo es una práctica común y en más del 99 % de las instalaciones este objetivo se logró inmediatamente. La historia de este éxito ha sido comprometida por algunas “fallas”, esto es, no fueron evitados todos los impactos. Sin embargo, en esas poquísimas ocasiones en que ocurrieron, los impactos siempre terminaron sobre el DAS y en ninguno de los casos terminaron sobre las estructuras que fueron protegidas. La mayoría de estas fallas estuvieron relacionadas con grandes torres auto soportadas instaladas en el tope de una montaña o en áreas con alta incidencia de descargas eléctricas atmosféricas.

Basados en estadísticas, LEC ha llegado a la conclusión a la fecha, que el actual riesgo de una descarga eléctrica en un área protegida con DAS es menor de uno a 200. Esto es, si normalmente terminarían 200 impactos en un área sin protección, con DAS, solo menos de uno alcanzaría el área y siempre impactando el DAS. El riesgo llega a ser muy bajo con el paso de los años. 

En alguna de estas ocasiones los observadores han notado que el DAS ha pasado rápidamente de un “Modo Incandescente” de Ionización a un “Modo Centelleante” y en pocas ocasiones el impacto ha terminado en el DAS. El Modo Incandescente podría describirse como una luz azul alrededor del ionizador; el Modo Centelleante es una condición donde los puntos llegan a ser rojos, parecidos a chispas, dispersándose en una alta corriente de ionización y haciendo un ruido. En la mayoría de los casos el centelleo fue seguido de un impacto. Es importante que lo principal de estos eventos se entiende como un buen diseño del DAS.

Debe considerarse un ejemplo significativo. En un área de Telecomunicaciones de microondas en Tailandia, se instaló un contador de rayos con un DAS en una enorme torre auto soportada de 100 metros de alto localizada en una montaña elevada. En un año este contador de rayos registro una corriente pico fluyendo a tierra. Este contador registró nueve corrientes pico mayores de 2000 amperes. Sin embargo, los daños al sistema solo ocurrieron en cuatro ocasiones. Las estaciones mostraron que habían sido impactadas 66 veces cada año. Antes de que se instalara el DAS, con cualquier corriente el sistema se dañó. El DAS también se dañó en cuatro lugares confirmando que solamente cuatro rayos fueron colectados.

Evidencias de la Información colectada.

1. Fallas ocurridas cuando la energía del rayo líder excede la capacidad del ionizador del DAS que fué impactado.
2. El ionizador del DAS siempre colectó (recibió) el rayo líder que alcanzó el área protegida.
3. La corriente de ionización pico ha sido medida en niveles que exceden los 2 Kamps por menos de UN milisegundo.
4. Las mediciones hechas en Tailandia registraron elevadas corrientes de ionización sin impactos directos de rayo.
5. El ionizador puede producir grandes cantidades de corriente de ionización conforme pasa al Modo Centelleante de ionización, como fue evidenciado por las chispas sin un impacto. Tanto el Jefe de Consultores de LEC como algunos Clientes han observado las chispas y han oído el centelleo, no el trueno cercano.

Explicación Física de la Situación.

Para completar el proceso de descarga, el ionizador del DAS debe ser capaz de transferir la mayor parte, si no es que el total, de la carga (amperes segundos) inducida en la instalación por la celda de tormenta, o por un paso líder del rayo acercándose lo cual representa el peor de los casos. Cuando el campo eléctrico de una tormenta (antes de un rayo) tiene un potencial de entre 10 y 30 Kv/m, la densidad de carga relativa puede ser de 10^-9 Coulombs por metro cúbico (Coulombs C = amperes segundo), durante el tiempo que un paso líder se acerca al ionizador. Este valor puede crecer a niveles mucho más altos. 10^-3 Coulombs por metro cúbico puede considerarse un valor promedio, en la punta de ese paso líder. La Figura No. 1 presenta el rango de las cargas eléctricas bajando en un paso líder en función del riesgo. Nótese que cuando la carga promedio puede ser de 20 Coulombs, los valores máximos pueden exceder los 200 Coulombs. Sin embargo, la oportunidad de una ocurrencia es menor de UNO en MIL.

De la información anterior, es obvio que cuando más se requiere diez veces el área del Ionizador para descargar una carga promedio de 20 Coulombs de la carga de 200 Coulombs. Este requisito puede derivarse analíticamente usando las pruebas de información de LEC y las estadísticas disponibles sobre rayos.

La Figura 1 presenta el rango de la carga  eléctrica descargada por un rayo en función del riesgo. Nótese que cuando el 50% de estas descargas son de 20 Coulombs o menos, el 99.9 por ciento pueden ser de 200 Coulombs. Usando estos datos y los presentados por la Figura 2, puede calcularse el número de puntas requeridas para cualquier descarga de rayos potenciales, en función de la altura de la estructura soporte y el campo eléctrico relativo. Como un ejemplo, considerar la tabla No. 1 donde el número de puntas requerido para disipar una carga determinada para diferentes alturas estimadas.

TABLA 1

NUMERO DE PUNTAS IONIZADORAS REQUERIDAS PARA DIFERENTES CARGAS EN UN CAMPO ELECTRICO DE 20 KV/METRO DE ELEVACIÓN DONDE EL IONIZADOR ESTA INSTALADO A 30 METROS DE ALTURA.

En realidad, estos datos son para una situación optimista y una pesimista. Ellas son optimista porque, si el paso líder esta descargando una carga mayor a 20 Coulombs, el Ionizador deberá saturarse. Sin embargo, es pesimista porque a medida que el líder se aproxime al Ionizador, el campo eléctrico crece linealmente con una separación reducida (ver Figura 3) pero la corriente de ionización aumenta exponencialmente con espaciamientos reducidos. Esta dicotomía resulta en un diseño conservador, si se basa en el antecedente de un criterio general. Sin embargo, deberá tenerse mucho cuidado al usarse estos datos ya que solamente define el número de puntas requeridas, bajo condiciones ideales. El donde y como distribuirlos es otro asunto que todavía no está definido. Esta información requiere de Estudio y Preparación en el Tema además de la formación de un Criterio propio.

Análisis de la Información.

La información anterior describe la situación del DAS, especialmente bajo las “peores” circunstancias. También describe un Método de requisitos de ionización estimados. Por tanto aparece que los requisitos de Ionización pueden estimarse dentro de un grado de precisión razonable, la pregunta que presenta es: Porqué algunas Fallas?. Esto es, porque algunos líderes pueden alcanzar el Ionizador?. Las razones son:

1. Existe normalmente un límite en el Costo.
2. Hay limitaciones Físicas (cargas de viento, el uso de área disponible).
3. Áreas limitadas (interferencia con el patrón de radiación de la antena, áreas operativas, limitaciones en la altura)

Podríamos agregar un diseño deficiente, pero que normalmente se relaciona con aplicaciones inadecuadas de los requerimientos. Esto es,  cuantos y cuando aplicarlos.

Que podemos concluir.

1. El DAS puede llegar a un estado de saturación (el modo centelleante) donde el flujo de corriente de iones es tan alto por unidad para el área del ionizador, para mantener al ionizador en el Modo de Ionizador Incandescente o Modo efecto Corona.
2. Cuando el DAS entra en el estado de saturación puede: a) Entrar en el Modo Centelleante y no colectar el rayo o, b) pasar a ese modo y colectar el rayo.
3. La energía del impacto del rayo se haya reducida considerablemente, y si cuando alcanza al DAS, o si una vez neutralizado no alcanza a proteger el sitio.

Resumen.

Todos los Sistemas de Arreglo de Disipación (DAS) están diseñados para prevenir impactos directos de rayo. Sin embargo, debido al Costo o limitaciones estructurales, LEC diseña algunos Sistemas para prevenir 199 de 200 rayos y colectar 1 de los 200, de los rayos de muy alta energía. La altísima confianza de los Sistemas de Arreglo de Disipación está diseñada para prevenir al menos 999 de 1000 impactos de rayo pero la capacidad del Ionizador y el consecuente costo de este se incrementa de acuerdo con esa capacidad. 

Figura 1

Frecuencia de distribución de la carga bajando por relámpago de rayo por relámpagos trayendo carga negativa a la tierra. Descargas iniciadas por pasos líder moviéndose hacia abajo y descargas iniciadas por pasos líder moviéndose hacia arriba están incluidas ambas.

Figura 2

Corriente de Iones en función de un fuerte campo eléctrico ( Nivel 200 Puntas).

Figura 3

Incremento en el campo eléctrico en función del avance del paso líder.