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INTRODUCCIÓN A LA MITIGACIÓN DE CA
Interferencia de CA
El creciente consumo mundial de energía eléctrica ha provocado un aumento constante de líneas eléctricas HVAC y tuberías enterradas ubicadas dentro de corredores de servicios públicos, especialmente en regiones con mayor densidad poblacional. Con ello han surgido desafíos cada vez mayores relacionados con la influencia de la energía de CA sobre las tuberías, comúnmente denominada interferencia de CA.
La forma más común de interferencia de CA en tuberías enterradas está causada por el campo magnético asociado con el flujo de corriente en la línea eléctrica cercana. Este campo magnético induce un voltaje y una corriente de CA en estado estable sobre la tubería, cuyo grado se ve afectado por numerosos factores, incluyendo la corriente de carga de la línea eléctrica, la distancia de separación de cada fase respecto a la tubería, transposiciones de fases, cambios en la distancia u orientación de la tubería, resistividad del suelo y calidad del recubrimiento.
El voltaje de CA inducido en las tuberías es altamente indeseable porque puede:
- crear condiciones peligrosas de voltaje de contacto y de paso para las personas que entren en contacto con la tubería y sus accesorios, y
- causar corrosión acelerada en pequeños defectos del recubrimiento debido a la descarga de corriente de CA desde el metal expuesto hacia el suelo circundante, fenómeno conocido como corrosión por CA.
En relación con la salud humana, normas industriales como NACE SP0177 y EN 50443 establecen límites para el voltaje de contacto AC durante condiciones de operación normales. Los límites especificados para la salud humana varían entre 15 V en NACE SP0177 y 60 V en EN 50443. Estos niveles son valores de estado estable, y bajo condiciones de falla el voltaje inducido será mucho mayor. EN 50443 también proporciona límites de voltaje de contacto AC bajo condiciones de falla.
Incluso cuando los potenciales de CA en la tubería están dentro de estos límites establecidos para la salud humana, la corrosión por CA puede ocurrir fácilmente y amenazar la integridad de la tubería. Una consecuencia no deseada de los nuevos recubrimientos de alta resistencia es que el intercambio de corriente inducida de CA entre la tubería y el suelo en pequeños defectos del recubrimiento puede alcanzar densidades de corriente muy altas , la cantidad de corriente que fluye por unidad de área. La mayoría de las normas recomiendan una densidad máxima de corriente de CA de 30 A/m², con límites más altos permitidos cuando la densidad de corriente de protección catódica es menor a 1 A/m². Los riesgos de corrosión por CA deben considerarse siempre, ya que pueden requerir una mayor reducción de los voltajes de CA en la tubería desde niveles adecuados para la protección de la salud humana. Sin embargo, en general, solo en áreas con baja resistividad del suelo (< 300 Ω-m) (2) suelen existir preocupaciones significativas respecto a la corrosión por CA.
Además de la interferencia inducida en estado estable que ocurre durante condiciones normales de operación, las fallas de CA en la línea eléctrica, que pueden ocurrir por algún tipo de ruptura de aislamiento— generan un voltaje y flujo de corriente inducidos temporales y de gran amplitud en la tubería, de la misma manera que el efecto en estado estable, pero a niveles muy elevados que pueden crear voltajes de contacto y de paso peligrosos para los trabajadores, así como posibles rupturas de aislamiento y arco eléctrico en los sistemas de tubería.
Sistemas de Mitigación de CA
Los sistemas de mitigación de CA se aplican comúnmente en tuberías para disipar el voltaje no deseado a lo largo de la tubería generado por CA inducida y fallas de CA. La técnica general empleada es conectar la tubería en ubicaciones apropiadas a un sistema de puesta a tierra de baja impedancia para colapsar el voltaje a un valor seguro. El sistema de puesta a tierra suele consistir en una cinta continua de zinc desnudo o un cable de cobre tendido en paralelo a lo largo de un segmento de tubería, o pozos de puesta a tierra para mitigación más localizada.
El proceso de diseño típicamente comienza con modelado por software por consultores especializados, incorporando factores como resistividad del suelo, distancia de separación, voltaje y corriente, para obtener un mapa de voltaje en todos los puntos de la tubería. Luego, aplicando puntos de puesta a tierra de baja impedancia en diversas ubicaciones de la zona afectada, pueden modelarse los efectos de CA bajo condiciones de estado estable y de falla, y el diseño del sistema de puesta a tierra puede optimizarse para abordar la seguridad de los trabajadores, el voltaje de esfuerzo sobre el recubrimiento y los problemas de corrosión por CA. Dependiendo de las variables del sitio, el espaciamiento de las conexiones a tierra puede variar desde unos cientos de metros hasta varios kilómetros.
MITIGACIÓN DE CA Y PROTECCIÓN CATÓDICA
Impacto de la mitigación de CA sobre los potenciales de protección catódica
Los sistemas de mitigación de CA han demostrado ser altamente efectivos para mantener seguros los potenciales de CA en la tubería y minimizar la corrosión por CA. Sin embargo, el sistema de puesta a tierra que permite que la CA se disipe desde la tubería también proporciona un camino de baja impedancia para que la corriente de protección catódica fluya entre el lecho de ánodos y el terminal negativo del rectificador, como se ilustra en la Figura 1. El sistema de puesta a tierra, ahora eléctricamente unido a la tubería, introduce una superficie adicional significativa que el sistema de protección catódica debe proteger. Como resultado, el rectificador a menudo no puede soportar la carga de corriente aumentada y los potenciales de protección catódica pueden verse comprometidos, dejando la estructura insuficientemente protegida.
Cuando se enfrentan a potenciales insuficientes de protección catódica debido a las uniones requeridas a tierra, los diseñadores de CP podrían inclinarse a agregar más rectificadores y lechos de ánodos y tolerar una alta demanda de corriente de CP. Sin embargo, esta es probablemente una opción prohibitiva en términos de costo y puede que finalmente no proporcione suficiente protección contra la corrosión. Además, existe el riesgo de llevar el voltaje de CC en la tubería a niveles más altos de los recomendados, lo que puede afectar la calidad del recubrimiento.
Desacopladores Dairyland
Una solución práctica y ampliamente aceptada es instalar dispositivos de desacoplamiento de CC en serie con las conexiones de unión entre la estructura protegida catódicamente y los sistemas de puesta a tierra, como se muestra en la Figura 2. Los desacopladores están diseñados para bloquear la corriente de protección catódica al tiempo que permiten el paso libre de CA en estado estable, fallas de CA y rayos. Esto evita que la corriente de CP fluya a través de los sistemas de puesta a tierra y reduce drásticamente la cantidad de corriente de CP requerida para proteger la tubería.
Los desacopladores de estado sólido utilizan componentes electrónicos de conmutación de alta potencia para mantener el aislamiento de CC entre estructuras. Bajo condiciones normales, el circuito permanece abierto, manteniendo el aislamiento de CC entre las estructuras. Cuando el voltaje diferencial entre los terminales excede un umbral de voltaje preestablecido, lo cual ocurriría durante un evento de falla o rayo, el circuito se cierra prácticamente de manera instantánea y une eléctricamente las estructuras. Inmediatamente después del evento de sobrevoltaje, el dispositivo vuelve automáticamente al estado abierto para mantener el aislamiento de CC.
PRESTE ATENCIÓN A LAS FORMAS DE ONDA DURANTE LOS ENSAYOS INTERRUMPIDOS
Durante ensayos interrumpidos como los Close Interval Potential Surveys (CIPS), la respuesta interrumpida puede variar considerablemente dependiendo del número de desacopladores tradicionales presentes, así como de otros parámetros como resistividad del suelo y recubrimiento de la tubería. Si no se tiene en cuenta, ciertas combinaciones de estos parámetros pueden generar lecturas instant-off más electronegativas que el verdadero potencial polarizado, como se muestra en la Figura 3.
Por lo tanto, antes de registrar las mediciones instant-off, los técnicos de CP deben evaluar la respuesta interrumpida para determinar si la capacitancia del desacoplador podría estar afectando las lecturas y, de ser necesario, tomar medidas adecuadas para mitigar el efecto.
Una solución común es desconectar temporalmente los desacopladores de la tubería durante el ensayo. Esto es eficaz para eliminar el flujo de corriente transitoria del capacitor durante el ciclo OFF y la caída de IR resultante. Esto puede lograrse desconectando físicamente los cables o utilizando interruptores de aislamiento de desacopladores. Sin embargo, existen varias razones por las cuales esta opción debe evaluarse cuidadosamente. Lo más importante es que, mientras los desacopladores. y, por lo tanto, el sistema de mitigación de CA, estén desconectados, los potenciales de CA en la tubería aumentarán y pueden alcanzar niveles inseguros. Esto representa un riesgo significativo para cualquier persona en contacto con la tubería o sus accesorios, especialmente considerando que los ensayos pueden requerir semanas para completarse. Además, mientras los desacopladores estén desconectados, la exposición a la corrosión por CA aumenta. Además del riesgo para la seguridad, se requiere tiempo significativo para desconectar y reconectar todos los desacopladores en el circuito de tubería que se está evaluando, aumentando el tiempo y costo del ensayo.
Otra solución es emplear desacopladores con Compensación Activa de Capacitancia, ahora disponibles comercialmente en los modelos PCRX de Dairyland. Esta tecnología de nueva generación supera la respuesta interrumpida lenta asociada con la capacitancia de los desacopladores, mientras proporciona los mismos beneficios de los desacopladores tradicionales de estado sólido. Un ejemplo de la respuesta instant-off utilizando esta tecnología comparada con desacopladores tradicionales se muestra en la Figura 3. El desacoplador permanece siempre en el circuito durante las mediciones interrumpidas para proporcionar protección continua contra interferencia de CA y rayos. Además de los beneficios de seguridad y protección, se logran ahorros significativos de costos a largo plazo al no tener que desconectar/reconectar los desacopladores en cada ensayo.
RESUMEN
La interferencia de CA en tuberías es un problema creciente dondequiera que líneas de transmisión de CA de alto voltaje estén ubicadas cerca de tuberías enterradas. No solo puede el voltaje de CA inducido generar voltajes de contacto y paso peligrosos para el personal que entre en contacto con la tubería, sino que también puede aumentar la probabilidad de corrosión por CA, que puede perforar rápidamente las paredes de la tubería donde la superficie metálica expuesta en defectos del recubrimiento entra en contacto con suelos de baja resistencia. La mitigación de CA es una técnica ampliamente aceptada y comprobada para resolver estos problemas de interferencia de CA en tuberías.
Los desacopladores de CC Dairyland, un componente crítico de los sistemas de mitigación de CA, mejoran drásticamente el rendimiento de los sistemas de protección catódica al evitar que la corriente de CP fluya a través —y por lo tanto proteja— el sistema de puesta a tierra. Es importante estar consciente del efecto de la capacitancia del desacoplador sobre los potenciales instant-off medidos. Para garantizar encuestas CIPS precisas y eficientes, las formas de onda deben revisarse y, cuando sea necesario, los desacopladores deben desconectarse temporalmente durante el ensayo o deben utilizarse desacopladores con Compensación Activa de Capacitancia.