Protección contra sobretensiones: las diferencias críticas entre descargadores de chispa y desacopladores de CC

¿Son las vías de chispas lo bastante resistentes para soportar los fallos de corriente alterna en las tuberías?

Tanto las vías de chispas aislantes como los desacopladores de CC se utilizan habitualmente para proteger contra condiciones de sobretensión en juntas de aislamiento de tuberías y tanques de almacenamiento en los que se aplican sistemas de protección catódica. Aunque los dispositivos de vía de chispas se utilizan a menudo debido a su coste relativamente bajo, no están diseñados para muchas de las condiciones de sobretensión que suelen darse en las tuberías. Si no se conocen a fondo las limitaciones de los dispositivos de vía de chispas, los operadores de tuberías pueden poner en peligro involuntariamente los activos de sus tuberías, así como al personal de explotación, en caso de que se produzcan sobretensiones como fallos de corriente alterna y rayos.

Las juntas de aislamiento requieren protección

Si una junta de aislamiento se expone a perturbaciones eléctricas que provocan tensiones diferenciales superiores a la tensión soportada por el aislador, puede formarse un arco a través del material de aislamiento que puede provocar un cortocircuito en la junta y causar daños permanentes en el material de aislamiento y/o en la propia junta. La figura 1 es un ejemplo de daños en la cara de la brida de una junta de aislamiento sin protección como consecuencia de un fallo de corriente alterna en la tubería.

La alta energía de la avería no sólo quemó la junta de aislamiento, sino que también soldó literalmente las dos caras de la brida. Al producirse un cortocircuito en la junta de aislamiento, el sistema CP se vio comprometido y la tubería afectada se quedó sin la protección adecuada hasta que se identificó y solucionó el cortocircuito. En este caso, hubo que sustituir toda la conexión de brida atornillada, lo que supuso un gasto considerable.

Debido a los evidentes riesgos para la seguridad, especialmente en lugares peligrosos, y a la posibilidad de que se produzcan costosos daños en las tuberías, es importante que las juntas de aislamiento estén protegidas mediante el control de la tensión diferencial a través de la junta para que sea muy inferior a la tensión soportada por el aislador durante los rayos y los eventos de fallo de CA.

Soluciones comunes para la protección de juntas de aislamiento

Cuando está correctamente protegido, el exceso de tensión a través de la junta de aislamiento se limita proporcionando una vía alternativa de menor impedancia para que la corriente fluya alrededor de la junta en condiciones de sobretensión. Por supuesto, para mantener un aislamiento adecuado para la protección catódica, el dispositivo de protección no debe conducir corriente continua (CC) en condiciones normales de funcionamiento. Tanto los dispositivos de protección contra sobretensiones de estado sólido como los dispositivos de vía de chispas aislantes se utilizan habitualmente para proteger las juntas de aislamiento de dichas condiciones de sobretensión. Las vías de chispas son relativamente baratas y eficaces para la protección contra rayos. Sin embargo, una de las principales limitaciones de las vías de chispas es que sus valores nominales típicos para la corriente de fallo de CA están muy por debajo de los niveles de fallo que suelen observarse en las tuberías.

¿Qué ocurre cuando las averías de corriente alterna alcanzan un salto de chispa?

Como aproximación, cabe esperar que fluyan corrientes de fallo de CA de 3-10 kArms o superiores a través de un dispositivo de protección de juntas de aislamiento en tuberías situadas cerca de líneas de calefacción, ventilación y aire acondicionado. Para aplicaciones específicas, deben utilizarse herramientas de modelado numérico que proporcionen predicciones precisas de la corriente de defecto a lo largo de la tubería y los valores nominales adecuados requeridos para los dispositivos de protección.

Cualquier dispositivo utilizado en las juntas de aislamiento para la protección contra sobretensiones debe tener una capacidad nominal adecuada para funcionar de forma segura tras la exposición a dichos niveles de fallo de CA. Si el dispositivo no está diseñado para soportar la corriente de fallo de CA, acabará fallando, ya sea en estado cerrado, en el que el dispositivo se convierte en un cortocircuito permanente y anula el propósito del aislador, o en estado abierto, en el que el dispositivo ya no conduce corriente para fallos de CA o rayos y, por lo tanto, no puede proporcionar una protección de sobretensión adecuada. Ambos modos de fallo son indeseables, pero el fallo en estado abierto es especialmente problemático porque presenta un riesgo potencial de seguridad por sobretensión y/o arco eléctrico y expone la unión a posibles daños permanentes.

Los dispositivos de vía de chispas son eficaces para la protección contra rayos y corrientes de defecto de bajo nivel. Sin embargo, la energía total de un fallo de CA es varios órdenes de magnitud mayor que la de un rayo típico, para el que se diseñan principalmente las vías de chispas. Esto se debe a que un fallo de CA puede durar mucho más y, por lo tanto, presenta una energía total mucho mayor que la de un rayo.

Los descargadores de chispas no están diseñados ni homologados para soportar el alto nivel de energía asociado a los fallos de CA habituales, con homologaciones típicas de sólo 500 Arms durante 200 ms. Durante la conducción, el arco formado entre los electrodos internos puede degradar los electrodos y, con el tiempo, provocar un fallo del dispositivo abierto o cortocircuitado. Cuando el dispositivo falla abierto, en algunos casos los electrodos se vuelven a quemar, aumentando el entrehierro que separa los electrodos y aumentando así la tensión de chispa necesaria para la conducción en sucesivos fallos o rayos. En otros casos, los componentes de los terminales se rompen o todo el conjunto se viene abajo. En ambos casos, el resultado es un fallo permanente. Cuando el dispositivo falla en cortocircuito, la alta disipación de energía simplemente sobrecalienta y deforma los componentes internos de tal manera que se forma un cortocircuito permanente.

Las figuras 2-5 ilustran un ejemplo de vía de chispas que ha fallado abierta durante una prueba de corriente de defecto. La figura 2 muestra un oscilograma de una vía de chispas nueva sometida a una prueba inicial de corriente de defecto a 2500 Arms / 745 Vrms a 60 Hz durante 200 ms. Observe que una vez que la tensión a través de la unidad (trazo azul) supera la tensión de salto de chispa (-784 V en esta prueba), el dispositivo entra en conducción y pasa corriente (trazo rojo).

Se realizaron pruebas sucesivas en esta muestra, con tiempo entre las pruebas para permitir el enfriamiento. En la sexta prueba a 2.500 Arms, el dispositivo había fallado abierto como se muestra en el oscilograma de la Figura 3. Obsérvese que aunque la tensión (trazo azul) a través del dispositivo es de 1043Vpk, muy por encima de la tensión de chispa, no pasa corriente (trazo rojo) a través de la unidad.

La figura 4 muestra el interior de esta muestra de prueba de vía de chispas fallida. En la figura 5 se muestra el interior de una muestra similar antes de la prueba. Obsérvese en la figura 4 que el electrodo parece haber perdido material, lo que ha aumentado el tamaño de la abertura.

 

 

Para ser justos, esta unidad se probó muy por encima de su valor nominal de corriente alterna publicado. Sin embargo, el modo de fallo observado revela debilidades inherentes asociadas con la tecnología básica de una vía de chispas cuando se expone a niveles de corriente de fallo comunes en tuberías. Al igual que esta muestra probada, las vías de chispas pueden fallar a menudo en estado abierto, dejando la junta de aislamiento, el tanque de almacenamiento o dondequiera que se aplique, expuestos a posibles arcos voltaicos hasta que se sustituya. Y al fallar en estado abierto, esta peligrosa condición no se detecta fácilmente sobre el terreno utilizando una comprobación básica de resistencia.

Los dispositivos de Dairyland están diseñados para soportar fallos de CA

A diferencia de las vías de chispas, los desacopladores y protectores de sobretensión de Dairyland están diseñados y fabricados para garantizar que las juntas de aislamiento y las tuberías estén protegidas de los fallos de CA de alta energía comunes en las tuberías. Los dispositivos populares de Dairyland están clasificados y certificados a 3,7kArms a 0,6 s y están disponibles con clasificaciones hasta 15kArms a 0,6 s. Los dispositivos de Dairyland también protegen al personal de condiciones de sobretensión y tienen voltajes de sujeción muy por debajo de los de las vías de chispas. A diferencia de los dispositivos de vía de chispas, los dispositivos de estado sólido de Dairyland han demostrado ser tan fiables que no tienen necesidad de pruebas periódicas o reemplazo, lo que equivale a menores costos de operación y mantenimiento.