El papel de los desacopladores de CC en los sistemas de protección catódica

La protección catódica (PC), cuando se aplica correctamente, es una técnica eficaz para minimizar el proceso de corrosión natural que se produce en tuberías, depósitos y otras estructuras de acero enterradas. Para mantener una cobertura eficaz de la PC con una demanda mínima de corriente, la estructura debe estar bien aislada de tierra para el flujo de corriente continua. Esto se consigue normalmente utilizando revestimientos de alta resistencia, juntas de aislamiento, accesorios dieléctricos y almohadillas de aislamiento.

Sin embargo, estas estructuras requieren una puesta a tierra eléctrica tanto para la seguridad del personal como para la protección de la estructura frente a daños debidos a condiciones de sobretensión. Las conexiones a tierra para los sistemas de mitigación de CA, la protección contra fallos de CA y rayos y la protección de equipos eléctricos introducen vías no deseadas para que la corriente de CP regrese al rectificador a través de la estructura. Esto requiere que el sistema CP proteja una superficie de material significativamente mayor para la que no fue diseñado. Como resultado, a menudo es difícil mantener potenciales CP adecuados en la estructura que se desea proteger.

Los desacopladores de CC tienen una larga historia de proporcionar un aislamiento eficaz de CC de las estructuras protegidas catódicamente de otros objetos y sistemas de puesta a tierra, mientras que simultáneamente unen la estructura a tierra para CA y rayos. Sin embargo, los dispositivos de desacoplamiento a menudo se aplican mal o no se aplican en absoluto debido a un simple malentendido de cómo fluye la corriente CP a través de los sistemas de puesta a tierra.

LOS RETOS DE LOS SISTEMAS DE PUESTA A TIERRA

Los sistemas CP, y la protección contra la corrosión externa en general, requieren que la estructura esté eléctricamente bien aislada de tierra. Dado que los sistemas CP están diseñados para proteger sólo defectos relativamente pequeños en el revestimiento de la estructura protegida, el grado de aislamiento determina la eficiencia y eficacia del sistema CP en la protección de la estructura. Ciertamente, cuanto menor sea la superficie de la estructura que está directamente en contacto con tierra, menor será la corriente CP necesaria para la protección. Esta es la función básica de los revestimientos de tuberías de alta resistencia. Además, todas las superficies de la estructura que estén en contacto con otras estructuras conectadas a tierra deben aislarse para minimizar el flujo de corriente CP a través de las otras estructuras. Esto se consigue utilizando kits de aislamiento y juntas monolíticas en las conexiones de tuberías, accesorios dieléctricos para conexiones de tuberías más pequeñas, conexiones de conductos y sensores y placas de aislamiento para soportes de tuberías sobre el suelo.

Además de estas interfaces mecánicas, existen conexiones eléctricas entre la estructura y tierra cuya continuidad debe mantenerse para proteger la estructura y al personal de posibles condiciones de sobretensión. Estas conexiones incluyen puestas a tierra para sistemas de mitigación de CA y protección contra fallos de CA y rayos y puestas a tierra para equipos eléctricos.

Vías de puesta a tierra de mitigación de CA

El objetivo principal de los sistemas de mitigación de CA es disipar la tensión no deseada a lo largo de la tubería resultante de la CA inducida de las líneas de transmisión de energía cercanas y de las averías de CA y los rayos. La técnica general para mitigar la tensión de CA inducida en las tuberías consiste en conectarlas, en los puntos adecuados, a un sistema de puesta a tierra de baja impedancia para reducir la tensión a un valor seguro. El sistema de puesta a tierra suele ser una cinta de zinc desnuda o un cable de cobre tendido en paralelo con la tubería.

El proceso de diseño suele comenzar con la modelización de software por parte de consultores especializados, que introducen diversos factores como la resistividad del suelo, la distancia de separación y la tensión para llegar a un mapa de tensión en todos los puntos a lo largo de la tubería. A continuación, mediante la aplicación de puntos de puesta a tierra de baja impedancia en varios puntos de la zona afectada, se pueden modelizar los efectos de la corriente alterna en condiciones estacionarias y de fallo, y optimizar el diseño del sistema de puesta a tierra para abordar los problemas de seguridad de los trabajadores y de corrosión por corriente alterna. Dependiendo de muchas variables, como la distancia de separación y la geometría entre la tubería y las líneas eléctricas, los niveles de potencia, la resistividad del suelo, el revestimiento de la tubería, etc., el espaciado de las conexiones a tierra puede variar entre unos cientos de metros y varios kilómetros.

Estas uniones entre la tubería y el sistema de puesta a tierra proporcionan vías adicionales de baja impedancia para que la corriente CP fluya entre el lecho del ánodo y el terminal negativo del rectificador, introduciendo así una superficie de material adicional significativa que el sistema CP debe proteger, como se ilustra en la figura 1. Como resultado, a menudo no puede soportar el aumento de la carga de corriente y los potenciales CP pueden verse comprometidos, dejando la estructura inadecuadamente protegida. Como resultado, el rectificador a menudo no puede soportar el aumento de la carga de corriente y los potenciales de CP pueden verse comprometidos, dejando la estructura inadecuadamente protegida.

Puesta a tierra de equipos eléctricos

Es habitual que los equipos eléctricos, como las válvulas motorizadas, se conecten eléctricamente a las tuberías por descuido. En consecuencia, el equipo, su sistema de puesta a tierra y todo aquello a lo que está conectado, incluido el sistema de puesta a tierra de la compañía eléctrica, está conectado a la tubería. Estos sistemas de puesta a tierra se convierten entonces en vías adicionales para que la corriente CP regrese al terminal negativo del rectificador y, por lo tanto, presentan material adicional que debe ser protegido por el sistema CP, como se muestra en la Figura 2. Esto puede tener un impacto negativo drástico en la seguridad de los equipos. Esto puede tener un impacto negativo dramático en el rendimiento del sistema CP.

Los conductores eléctricos de puesta a tierra son necesarios para conducir la corriente de falla de CA y evitar condiciones de sobretensión, y deben dejarse en su lugar. Los códigos eléctricos nacionales exigen que los conductores de puesta a tierra del equipo sean 1) permanentes y continuos, 2) con capacidad nominal para manejar la corriente de fallo de CA prevista de la fuente, y 3) de baja impedancia para permitir que fluya la corriente de fallo de CA, permitiendo que un dispositivo de despeje (disyuntor o fusible) despeje el fallo. Esto define lo que es una "ruta efectiva de corriente de fallo a tierra" para la seguridad, según los códigos eléctricos[1]. Quitar el conductor infractor por conveniencia en el sistema CP es permitir un peligro de descarga inaceptable en el sitio durante cualquier condición de sobretensión.

Tubería de puesta a tierra y medición de instrumentación

Los transmisores en tuberías y tanques suelen tener un blindaje metálico continuo que cubre los cables de señal y puede tener también un conductor de puesta a tierra interno adicional, como se muestra en la figura 3. Excepto en el caso de un transmisor que tenga un cuerpo aislado eléctricamente, el blindaje y el conductor de puesta a tierra cortocircuitarán la estructura con la tierra del instrumento y provocarán una corriente CP para proteger el sistema de puesta a tierra del instrumento.

Del mismo modo, los tubos de medición de la presión de las tuberías o de control de los equipos suelen tender puentes entre las estructuras protegidas catódicamente y las no protegidas y pueden introducir una vía a tierra para la corriente CP.

TÉCNICAS DE AISLAMIENTO EN CC

Cuando se enfrentan a potenciales de CP insuficientes debido a las puestas a tierra necesarias, los diseñadores de CP podrían inclinarse por añadir más rectificadores y camas de ánodos y tolerar una demanda de corriente de CP elevada. Sin embargo, es probable que esta opción tenga un coste prohibitivo y que, en última instancia, no proporcione una protección suficiente.

Una solución práctica y ampliamente aceptada consiste en instalar dispositivos de desacoplamiento de CC en serie con las conexiones de enlace entre la estructura protegida catódicamente y los sistemas de puesta a tierra, tal como se muestra en la figura 4. Cuando se utilicen en serie con sistemas de puesta a tierra de equipos eléctricos, tenga en cuenta que el dispositivo debe estar específicamente aprobado para tal uso y que el uso de desacopladores de CC en sistemas de puesta a tierra debe cumplir las directrices y códigos nacionales locales. Esto evita que la corriente CP pase a través de los sistemas de puesta a tierra y minimiza así la cantidad de corriente CP necesaria para proteger la tubería.

Desacopladores de estado sólido

Los protectores de sobretensión de estado sólido utilizan componentes electrónicos de conmutación de estado sólido de alta potencia para crear un interruptor entre las dos estructuras a aislar. En condiciones normales, este interruptor permanece abierto, manteniendo el aislamiento de CC entre las estructuras. Cuando la tensión diferencial a través de los terminales supera un umbral de tensión prescrito, lo que ocurriría durante una avería o un rayo, el interruptor se cierra prácticamente de forma instantánea, colapsando la tensión a través de los terminales y uniendo eléctricamente las estructuras. Inmediatamente después del evento de sobretensión, el dispositivo vuelve automáticamente al estado OFF para mantener el aislamiento de CC.

Los desacopladores de estado sólido, además de unir las estructuras durante los fallos de CA y los rayos, proporcionan una vía de conducción continua para que la CA de estado estable pase a través del dispositivo en todo momento. Al cortocircuitar la corriente alterna inducida en estado estacionario, un desacoplador de estado sólido reduce la tensión alterna en la tubería y evita que la tensión alterna active el interruptor de estado sólido. En la Figura 5 se muestra un ejemplo de desacoplador de estado sólido instalado como parte de un sistema de mitigación de CA. En la Figura 6, se muestra un desacoplador instalado para aislar por CC una válvula accionada por motor de la toma de tierra eléctrica.

 

Figura 5. Desacoplador de estado sólido instalado como parte de un sistema de mitigación de CA. Desacoplador de estado sólido instalado como parte de un sistema de mitigación de CA.	Figura 6. Un desacoplador instalado para aislar de CC un MOV de tierra.

Células de polarización

La célula de polarización es un interruptor electroquímico compuesto por pares de placas de acero inoxidable o níquel sumergidas en una solución de hidróxido de potasio. Responde a la corriente continua de baja tensión polarizando las placas y reduciendo el flujo de corriente continua. Pasa la corriente continua de alta tensión, la corriente alterna de estado estacionario, los fallos de corriente alterna y la corriente de rayo.

Desde la introducción de los dispositivos de estado sólido en la década de 1980, las células de polarización se han vuelto mucho menos comunes debido a su necesidad de mantenimiento regular de los niveles de fluido, el gran tamaño del paquete y el hecho de que, cuando fallan, crean un circuito abierto, lo que crea un peligro potencial para la seguridad.

Otros dispositivos de aislamiento de CC

Aunque no se consideran desacopladores, los dispositivos de vía de chispas se utilizan habitualmente para proteger las juntas de aislamiento de los daños causados por los rayos. Cuando la tensión a través de los terminales alcanza un nivel determinado, un arco tiende un puente entre los dos electrodos del producto y pasa la corriente. Normalmente, las vías de chispas requieren varios cientos de voltios para CA y más de 1000 V para rayos para que el dispositivo entre en conducción. Aunque proporcionan aislamiento de CC, no pueden pasar corriente de CA de baja tensión, por lo que no son adecuados para su uso con sistemas de mitigación de CA. Además, las vías de chispas no proporcionan una vía de protección eficaz contra fallos a tierra, tal y como se define en los códigos eléctricos, por lo que no pueden utilizarse en el circuito de puesta a tierra de equipos eléctricos.

REQUISITOS DE APLICACIÓN DE LOS DESACOPLADORES DE CC

Los productos de desacoplamiento deben seleccionarse examinando cuidadosamente sus características eléctricas en relación con el fin previsto para garantizar una aplicación adecuada.

Baja impedancia para fallos de CA y rayos

Uno de los requisitos más básicos de los dispositivos de desacoplamiento es proporcionar una vía de baja impedancia para los fallos de CA y los rayos. Durante un evento de este tipo, la tensión a través de un dispositivo de estado sólido se bloquea en el umbral de tensión, que suele ser de 3 voltios o menos. En las condiciones de fallo de CA más extremas, la tensión máxima a través de los terminales es inferior a 10 V. En caso de sobretensión por rayo, esta tensión máxima es de aproximadamente 100 V. Esto garantiza que las sobretensiones se bloquearán a niveles bajos durante los fallos o los rayos, lo que supone una ventaja significativa para la seguridad del personal y para aplicaciones como la protección de juntas aisladas.

Suficientes dispositivos

El valor nominal típico de fallo de CA para aplicaciones de tuberías cerca de torres HVAC es de 5 kA y no son infrecuentes niveles de hasta 15 kA. La mayoría de los dispositivos de estado sólido tienen la capacidad y los valores nominales para manejar corrientes de fallo de CA a estos niveles.

Baja impedancia para CA en estado estacionario

Para ser eficaces como parte de los sistemas de mitigación de CA, los dispositivos de desacoplamiento deben ser capaces de conducir continuamente la CA inducida en estado estacionario. Esto incluye los dispositivos utilizados a través de juntas de aislamiento si los puntos de puesta a tierra en los lados opuestos de la junta forman parte del mismo sistema de mitigación de CA. Los desacopladores de estado sólido y las celdas de polarización conducen continuamente la CA de estado estacionario. La mayoría de los desacopladores de estado sólido introducen sólo unos pocos miliohmios de impedancia, por lo que no afectan significativamente a la tensión de la tubería.

Bajo mantenimiento

Dada la ubicación remota de muchas tuberías, el bajo mantenimiento y la fiabilidad de los dispositivos de desacoplamiento son extremadamente importantes. Dado que las celdas de polarización requieren inspecciones periódicas para mantener los niveles de líquido, estos dispositivos se han vuelto mucho menos populares en las últimas décadas.

Baja corriente de fuga de CC

Para mantener la eficiencia de los sistemas CP, es importante minimizar las fugas de corriente continua a tierra a través de los dispositivos de desacoplamiento. Dado que muchos revestimientos de tuberías modernos proporcionan un aislamiento tan eficaz, las corrientes del rectificador CP son a menudo tan bajas que varios miliamperios de pérdida de corriente CC a tierra a través de un dispositivo de desacoplamiento pueden afectar negativamente al rendimiento del CP. Los desacopladores de estado sólido, cuando se aplican correctamente dentro del rango de tensión umbral, suelen tener menos de 10 mA de pérdida de corriente continua.

Clasificación para zonas peligrosas

Muchos emplazamientos de usuarios están clasificados formalmente como ubicaciones peligrosas, definidas por normas internacionales como la Comisión Electrotécnica Internacional (CEI) en función de la concentración de gases o líquidos inflamables presentes. Los dispositivos eléctricos deben cumplir determinados requisitos de diseño y calidad para poder utilizarse en estos lugares. Si un lugar está clasificado o tratado de otro modo como ubicación peligrosa, debe utilizarse un producto de protección contra sobretensiones que cuente con certificaciones de terceros (UL, ATEX, IECEx) para este entorno.

Diseño a prueba de fallos

Si se exponen a valores de corriente de fallo superiores a sus valores nominales, los dispositivos de protección contra sobretensión siempre deben fallar de forma segura y sin incidentes en el modo de cortocircuito (fallar como un cortocircuito muerto), uniendo los dos puntos por seguridad. Esto garantiza que las condiciones de sobretensión se solucionen, tanto si el producto funciona como si falla.

La mayoría de los dispositivos de estado sólido se consideran realmente "a prueba de fallos" y las certificaciones de los productos deben proporcionar una verificación como tal. Cuando las células de polarización fallan, ya sea por evaporación del fluido o por rotura del depósito, fallan como circuito abierto y dejan de proporcionar una puesta a tierra de seguridad.

CONCLUSIONES

Para minimizar la corrosión, las tuberías y los tanques de almacenamiento recurren a costosos revestimientos, juntas de aislamiento y sistemas de protección catódica para aislar electroquímicamente la estructura de la tierra. Sin embargo, para mitigar los efectos dañinos y peligrosos de las interferencias de corriente alterna y los rayos, estas estructuras requieren sistemas de puesta a tierra intencionados. Estos requisitos contradictorios se han abordado, en general, mediante el uso generalizado de desacopladores de CC. Los desacopladores, cuando se instalan en las conexiones eléctricas entre las tuberías protegidas por CP y tierra, proporcionan tanto aislamiento de CC como conexión a tierra para CA y rayos.

Sin embargo, no todos los dispositivos de desacoplamiento de CC son iguales. Por ejemplo, los dispositivos de vía de chispas no deben utilizarse en la mayoría de las aplicaciones situadas cerca de líneas eléctricas de calefacción, ventilación y aire acondicionado, ya que no pasan a tierra la corriente alterna inducida de baja tensión en estado estacionario y no están preparados para soportar los niveles de corriente alterna que suelen observarse en las tuberías de estos lugares. Además, muchos desacopladores de CC no han sido bien validados por organismos de certificación de terceros acreditados para cumplir los criterios de rendimiento establecidos. Es importante conocer a fondo los puntos fuertes y las limitaciones de rendimiento de los dispositivos antes de aplicarlos.

 

REFERENCIAS
1. US National Electrical Code, NFPA 70, Artículo 250.4(A)(5).