Protección contra sobretensiones: Diferencias críticas entre spark gaps y desacopladores de CC

¿Son los spark gaps lo suficientemente resistentes para soportar fallas de CA en las tuberías?

Tanto los dispositivos de aislamiento spark gap como los desacopladores de CC se utilizan comúnmente para la protección contra sobrevoltaje en juntas de aislamiento de tuberías y tanques de almacenamiento donde se aplican sistemas de protección catódica. Aunque los dispositivos spark gap a menudo se aplican debido a su costo relativamente bajo, no están diseñados para la mayoría de las condiciones de sobretensión que ocurren comúnmente en las tuberías. Sin comprender plenamente sus limitaciones, los operadores de tuberías pueden poner involuntariamente en riesgo la integridad mecánica de sus activos y del personal operativo ante eventos eléctricos como fallas de CA y rayos.

Las juntas de aislamiento requieren protección contra sobretensiones

Si una junta de aislamiento queda expuesta a perturbaciones eléctricas que generan tensiones diferenciales superiores a la tensión de resistencia del aislante, puede formarse un arco eléctrico a través del material aislante. Este arco puede provocar un cortocircuito en la junta y causar daños permanentes, en el material aislante y/o en la propia junta. La figura 1, muestra los daños ocasionados en la superficie de la brida de una junta de aislamiento desprotegida como consecuencia de un fallo de corriente alterna en la tubería.

La elevada energía generada por la falla no solo quemó el empaque aislante, sino que literalmente soldó las dos caras de la brida. Dado que la junta de aislamiento quedó en cortocircuito, el sistema de Protección Catódica (PC) resultó comprometido y la tubería afectada quedó sin la protección adecuada hasta que el cortocircuito fue identificado y corregido. En este caso, hubo que sustituir toda la conexión de brida atornillada, lo que supuso un gasto considerable. Debido a los evidentes riesgos de seguridad, especialmente en ubicaciones peligrosas, y al potencial de daños costosos en las tuberías, la protección eficaz contra sobretensiones es esencial para las juntas de aislamiento. El voltaje diferencial a través de la junta debe mantenerse muy por debajo del voltaje de soporte del aislador durante eventos de rayos y fallas de CA.

Soluciones comunes para la protección de juntas de aislamiento

Cuando se protegen adecuadamente, el exceso de voltaje a través de la junta de aislamiento se limita proporcionando una ruta alternativa de menor impedancia para que la corriente fluya alrededor de la junta durante condiciones de sobretensión. Para mantener el aislamiento adecuado para la protección catódica, el dispositivo de protección no debe conducir corriente continua (CC) bajo condiciones normales de operación. Tanto los dispositivos de protección de estado sólido como los dispositivos spark gap se utilizan comúnmente para proteger las juntas de aislamiento de tales perturbaciones eléctricas. Los spark gaps son de costo relativamente bajo y efectivos para la protección contra rayos. Sin embargo, una de las principales limitaciones de los spark gaps es que sus valores nominales típicos de corriente de falla de CA son muy inferiores a los niveles de falla que comúnmente se presentan en las tuberías.

¿Qué ocurre cuando las descargas de CA llegan a un spark gap?

Como aproximación general, se puede esperar que las corrientes de falla de CA de 10 kArms o superiores fluyan a través de un dispositivo de protección de junta de aislamiento en tuberías ubicadas cerca de líneas de transmisión de alta tensión (HVAC). Para aplicaciones específicas, se deben utilizar herramientas de modelado numérico para proporcionar predicciones precisas de la corriente de falla de CA a lo largo de la tubería y determinar las capacidades requeridas para los dispositivos de protección. Cualquier dispositivo utilizado en juntas de aislamiento para protección contra sobretensiones debe contar con la capacidad adecuada para operar de manera segura tras la exposición a tales niveles de falla de CA. Si el dispositivo está subdiseñado para la corriente de falla de CA, eventualmente puede fallar en estado cerrado. En esta condición, el dispositivo se convierte en un cortocircuito permanente y anula el propósito del aislador. También puede fallar en estado abierto, donde el dispositivo ya no conduce corriente durante un evento de falla o rayo y, por lo tanto, no puede brindar la protección adecuada. Ambos modos de falla son inadmisibles. Sin embargo, la falla en estado abierto es particularmente problemática porque representa un peligro potencial para la seguridad por sobretensión y/o formación de arcos, y expone la junta a posibles daños permanentes.

Para comprender mejor la relación entre el aislamiento eléctrico, la protección catódica y el control de la corrosión, así como la protección contra los efectos de corriente alterna y rayos abordados por la norma NACE SP0177-2026, vea la entrevista técnica en Inspenet TV con especialistas de Dairyland Electrical Industries durante la conferencia de AMPP en marzo de 2026, enfocada en el desacoplamiento eléctrico y su papel en los sistemas de protección contra la corrosión.

Rayos vs. falla de CA: Por qué la energía importa

Los dispositivos spark gap son efectivos para la protección contra rayos y corrientes de falla de bajo nivel. Sin embargo, la energía total de una falla de CA es órdenes de magnitud mayor que la de un evento típico de rayo, para el cual los spark gaps están diseñados principalmente. Esto se debe a que un AC fault puede durar mucho más tiempo y, por lo tanto, presenta una energía total mucho mayor que un rayo. Los spark gaps no están diseñados ni clasificados para soportar el alto nivel de energía asociado con las fallas de CA comunes, con capacidades nominales típicas de solo 500 Arms durante 200 ms. Durante la conducción, el arco formado entre los electrodos internos con separación puede degradar los electrodos y, con el tiempo, resultar en un dispositivo fallado en abierto o fallado en cortocircuito. Cuando el dispositivo falla en modo abierto, los electrodos pueden desgastarse, aumentando el espacio de aire entre ellos y elevando el voltaje de cebado (spark-over voltage) requerido para la conducción durante fallas o rayos sucesivos. En otros escenarios de falla en modo abierto, los componentes terminales pueden romperse o todo el conjunto puede desarmarse. En cualquier caso, el resultado es una condición permanente de falla en abierto. Cuando el dispositivo falla en cortocircuito, la disipación de alta energía sobrecalienta y deforma los componentes internos, resultando en un cortocircuito permanente.

Lo que revelan las pruebas de corriente de fallo

Las figuras 2 a 5 ilustara un ejemplo de un spark gap que ha fallado en estado abierto durante un ensayo de corriente de fallo. La figura 2 muestra el oscilograma de un spark gap nuevo sometido a una prueba inicial de corriente de fallo a 2.500 Arms / 745 V rms a 60 Hz durante 200 ms. Obsérvese que, una vez que la tensión a través de la unidad (trazo azul) supera la tensión de descarga (-784 V en esta prueba), el dispositivo entra en conducción y deja pasar la corriente (trazo rojo).

Se realizaron pruebas sucesivas en esta muestra, dejando tiempo entre pruebas para permitir su enfriamiento. En la sexta prueba a 2500 Arms, el dispositivo falló en modo abierto, como se muestra en la Figura 3. Aunque el voltaje a través del dispositivo (trazo azul) alcanzó los 1043 Vpk, muy por encima del voltaje de cebado, no pasó corriente (trazo rojo) a través de la unidad.

La figura 4, ilustra los componentes internos de esta muestra de prueba del spark gap que falló, mientras que en la figura 5, se observan los componentes internos de una muestra similar antes de la prueba. Obsérvese en la figura 4, cómo el electrodo parece haber perdido material, lo que ha aumentado la distancia entre electrodos..

Para ser justos, hay que señalar que esta unidad se sometió a pruebas muy por encima de su intensidad nominal de corriente alterna publicada. Sin embargo, el modo de fallo observado pone de manifiesto debilidades inherentes asociadas a la tecnología básica de un spark gap cuando se expone a los niveles de corriente de fallo comunes en tuberías. Al igual que esta muestra sometida a ensayo, estos dispositivos a menudo pueden fallar en estado abierto, dejando la junta de aislamiento, el tanque de almacenamiento u otro activo protegido expuestos a posibles arcos eléctricos hasta que se sustituyan. Y al fallar en estado abierto, esta peligrosa situación no se detecta fácilmente en el campo mediante una prueba básica de resistencia..

Los dispositivos de Dairyland están construidos para manejar fallos de corriente

A diferencia de los spark gaps, los desacopladores y protectores contra sobretensiones de Dairyland se diseñan y fabrican para proteger las juntas aislantes y las tuberías contra las fallas de CA de alta energía comúnmente presentes en estas instalaciones. Los dispositivos Dairyland están clasificados y certificados para 3.7 kArms a 0.6 s, y están disponibles con capacidades de hasta 15 kArms a 0.6 s. Los dispositivos Dairyland también ayudan a proteger al personal de condiciones de sobretensión y poseen voltajes de limitación (clamping voltages) muy inferiores a los spark gaps. A diferencia de los dispositivos spark gap, los dispositivos de estado sólido de Dairyland han demostrado ser tan confiables que no requieren pruebas ni reemplazos periódicos. Esta confiabilidad puede resultar en costos de operación y mantenimiento más bajos, al tiempo que respalda la protección a largo plazo de los activos de tuberías.

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Referencias

• Dairyland Electrical Industries. Protección contra sobretensiones: Las diferencias críticas entre spark gaps y desacopladores de CC. Artículo técnico original y fuente primaria de esta publicación.
• Dairyland Electrical Industries. Documentación técnica y especificaciones de producto para desacopladores de CC y dispositivos de protección contra sobretensiones.
• AMPP – Association for Materials Protection and Performance. NACE SP0177-2026: Protección contra los efectos de corriente alterna y rayos en estructuras metálicas y sistemas de control de corrosión.
• Inspenet TV. Desacoplamiento eléctrico y control de la corrosión. Entrevista técnica con especialistas de Dairyland Electrical Industries en AMPP 2026.

Preguntas Frecuentes (FAQs)