Protección contra sobretensiones para plantas de petróleo, gas y petroquímicas: selección para zonas peligrosas y entornos corrosivos

Las plantas de petróleo, gas y petroquímica reúnen dos problemas que rara vez se presentan conjuntamente en otros ámbitos: atmósferas explosivas que limitan estrictamente qué equipos pueden instalarse y cómo; y extensos trazados de cables exteriores que introducen descargas atmosféricas y sobretensiones de conmutación directamente en el sistema de control. Por ello, la protección contra sobretensiones en el sector petroquímico constituye tanto un ejercicio de cumplimiento normativo como una cuestión eléctrica: un dispositivo adecuado pero alojado en una carcasa inadecuada o provisto del certificado equivocado no es, sencillamente, una instalación aceptable.

Este artículo explica cómo suele abordarse la selección de dispositivos de protección contra sobretensiones (SPD) en estas plantas: cómo se tratan de manera diferenciada las áreas clasificadas como peligrosas y no peligrosas, por qué un módulo SPD no constituye automáticamente un equipo certificado Ex, y de qué modo las atmósferas corrosivas, los armarios exteriores, los largos bucles de instrumentación de 4–20 mA y la red de puesta a tierra de la planta influyen en la solución final.

Puntos clave

• La clasificación del área (Zona 0/1/2, 20/21/22) establece las normas de instalación; no modifica la física de la sobretensión, pero sí determina dónde y cómo pueden montarse los dispositivos supresores de sobretensiones (SPD).
• Un módulo SPD no está certificado Ex por defecto; es el conjunto completo —caja, prensaestopas, cableado y puesta a tierra— el que lleva la marca Ex.
• Los bucles de 4 a 20 mA de gran longitud y la red de puesta a tierra de la planta suelen ser los factores que más influyen en la protección del lado de señal.
• El alcance del certificado se confirma conforme a la documentación del modelo y a la especificación del proyecto, en lugar de suponerse a partir del nombre de la familia de productos.

Contenido

1. Áreas peligrosas frente a áreas no peligrosas: dos reglamentos distintos
2. El SPD no es el certificado de ex
3. Distribución de energía: de la subestación a los armarios de campo
4. Señales de instrumentos, bucles de 4–20 mA y la malla de puesta a tierra
5. Atmósferas corrosivas y armarios para exteriores
6. Distribución del riesgo en toda la planta
7. Lista de verificación de selección
8. Preguntas frecuentes

Áreas peligrosas frente a áreas no peligrosas: dos reglamentos distintos

Cada instalación se inicia a partir de sus planos de clasificación de áreas. Los lugares donde puedan estar presentes gases o vapores inflamables se clasifican como Zona 0, 1 o 2, y los lugares con polvo combustible se clasifican como Zona 20, 21 o 22, de acuerdo con la serie de normas IEC 60079 para atmósferas explosivas. Las subestaciones, los centros de control de motores y los edificios de control suelen ubicarse fuera de estas zonas, en lo que se denomina, de manera aproximada, el área segura o no peligrosa.

En cuanto a la protección contra sobretensiones, esta división tiene una consecuencia práctica: la mayoría del equipo de SPD se instala en el área no peligrosa. Los cuadros generales de distribución, los centros de control de motores (MCC) y los armarios de conmutación son instalaciones industriales convencionales, y suele aplicarse el enfoque por etapas habitual: dispositivos de Tipo 1 en las entradas de servicio, donde se prevé una corriente parcial de rayo, y dispositivos de Tipo 2 aguas abajo. Los SPD de potencia para sistemas de corriente alterna de baja tensión están cubiertos por IEC 61643-11 , y la selección sigue la misma lógica de voltaje y coordinación que cualquier instalación industrial.

Dentro de la zona peligrosa, las normas cambian. No se instala ningún equipo a menos que su construcción, certificación y método de instalación estén autorizados para esa zona. Por lo tanto, un protector contra sobretensiones para zonas peligrosas no es una categoría de catálogo, sino una solución: un módulo de SPD ubicado dentro de una caja o una caja de derivación Ex certificada, con prensaestopas certificados, puesta a tierra adecuada y documentación que coincida con la zona, el grupo de gases y la clase de temperatura indicados en el plano de clasificación de áreas.

El ejercicio de zonificación suele llevarse a cabo en paralelo con la evaluación del riesgo de rayos de la instalación. Cuando las estructuras están cubiertas por un sistema externo de protección contra rayos conforme a la norma IEC 62305, el nivel de protección contra rayos y las correspondientes zonas de protección determinan la magnitud de la corriente parcial de rayo que cada límite puede soportar; ello, a su vez, establece si en cada punto de entrada resultan adecuados dispositivos de tipo 1, de tipo 2 o combinados. Las instalaciones que no cuentan con una evaluación formal del riesgo suelen encargarla antes de congelar el concepto de SPD, puesto que coordinar modificaciones posteriores resulta mucho más disruptivo que incorporar dicha coordinación desde el inicio.

El SPD no es el certificado de ex

Este punto merece ser enfatizado porque constituye el malentendido más frecuente en el ámbito de la adquisición. Un módulo SPD probado conforme a la norma IEC 61643 ha demostrado un rendimiento frente a sobretensiones; sin embargo, ello no implica, por defecto, que sea adecuado para atmósferas explosivas. A menos que un modelo específico cuente con su propio certificado y marcaje Ex, el módulo en sí mismo se considera equipo industrial convencional.

En la práctica, el cumplimiento de la normativa Ex se logra a nivel de montaje. El recinto o la caja de conexiones ostenta la certificación; las prensaestopas y los elementos de obturación preservan el concepto de protección; el cableado y la conexión a tierra se ajustan a las reglas de instalación; y toda la instalación se ejecuta e inspecciona dentro del marco de referencia Ex del proyecto — por ejemplo, la serie IEC 60079 a escala internacional, o la Directiva ATEX 2014/34/UE en la Unión Europea. El SPD incorporado es un componente de esa solución certificada, no el titular de la certificación.

También significa que la clasificación “a prueba de explosión” no se considera un atributo predeterminado de ningún protector contra sobretensiones. La aceptabilidad de una solución específica de protector contra sobretensiones para zonas Ex depende del alcance del certificado del recinto y de los componentes, del grupo de gases y de la zona indicados en el plano, así como de las especificaciones propias del proyecto. Cuando un proyecto exige equipos certificados, el certificado correspondiente y sus condiciones de uso se verifican con la documentación del modelo antes de realizar el pedido — nuestro… Página de certificados Enumera la documentación disponible por familia de productos.

Distribución de energía: de la subestación a los armarios de campo

La distribución de energía en las plantas suele ir desde la entrada de media tensión, pasando por las subestaciones unitarias, hasta los cuadros de control de motor (MCC) de baja tensión y, desde allí, hacia los tableros de distribución de campo, las casetas de analizadores y los armarios exteriores. Cada etapa de transición constituye un posible punto de instalación del pararrayos de sobretensiones (SPD), y la coordinación entre las distintas etapas es lo que permite mantener los niveles residuales dentro de límites aceptables en las cargas.

En los cuadros principales de baja tensión, los dispositivos de Tipo 1 o los combinados Tipo 1+2 son habituales cuando la instalación cuenta con protección externa contra rayos o líneas aéreas. Los cuadros situados aguas abajo y los armarios de campo, por su parte, emplean dispositivos de Tipo 2 adaptados a la tensión de suministro local y al esquema de puesta a tierra correspondiente. Familias de productos como SPDs de alimentación de CA cubrir estas posiciones; las calificaciones finales se obtienen a partir de los diagramas unifilares del proyecto, en lugar de basarse en suposiciones genéricas.

Dos verificaciones específicas para cada instalación merecen la pena. En primer lugar, las plantas que cuentan con cogeneración o grandes motores eléctricos experimentan frecuentes sobretensiones de conmutación internas; por ello, es preciso verificar la coordinación de los dispositivos de protección contra sobretensiones (SPD) con la protección aguas arriba y con los niveles reales de corriente de falla prevista, en lugar de asumirlos. En segundo lugar, las placas de campo remotas alimentadas mediante largas extensiones de cable se comportan eléctricamente como estructuras independientes: el aumento del potencial de tierra local durante una descarga atmosférica puede someter a estrés al equipo incluso cuando la protección de la subestación funciona correctamente; por esta razón, la protección de tipo 2 a nivel de campo es tan común en los diseños de protección contra sobretensiones para la industria petroquímica.

Señales de instrumentos, bucles de 4–20 mA y la malla de puesta a tierra

La instrumentación es el ámbito en el que los daños por sobretensiones en las plantas de proceso suelen manifestarse con mayor frecuencia. Una planta puede contar con miles de bucles de 4–20 mA que van desde los transmisores de campo, a través de cables multicore, hasta el sistema de control, con trazados de varios cientos de metros que atraviesan estructuras portantes de tuberías y áreas abiertas. Estos cables actúan como antenas eficientes para las sobretensiones inducidas por rayos, y las tarjetas de entrada/salida a las que se conectan figuran entre los equipos electrónicos más sensibles del sitio.

Los SPD de señal para estos bucles se seleccionan entre las familias abordadas por IEC 61643-21 , que abarca los dispositivos de protección contra sobretensiones (SPD) para redes de telecomunicación y señalización. Para los circuitos de 4–20 mA, las comprobaciones prácticas consisten en verificar la tensión nominal del SPD respecto a la fuente de alimentación del bucle, su resistencia en serie y la corriente de fuga (para que la precisión del bucle no se vea afectada), así como su capacidad nominal de corriente de sobrecarga en función de la exposición del trazado. Familias como SPDs de señal y de datos Se asignan a cada interfaz según la hoja de datos, incluyendo las entradas/salidas digitales, el bus de campo y las líneas de comunicación, cuando están presentes.

La colocación sigue la trayectoria del cable. Es práctica habitual instalar un SPD de señal en la entrada del armario de la sala de control; para tramos largos a través de instalaciones abiertas, suele añadirse un segundo SPD en el extremo de campo —normalmente dentro de la caja de conexiones—, ya que las diferencias de potencial de tierra entre ambos extremos son precisamente las que someten a estrés al bucle. En zonas peligrosas, ese SPD de extremo de campo se aloja dentro de la solución de carcasa certificada descrita anteriormente.

La malla de puesta a tierra integra todo esto. Las instalaciones conectan el acero estructural, las bandejas portacables, la toma de tierra de instrumentos y la toma de tierra de protección en una malla común, y cada dispositivo supresor de sobretensiones (SPD) dirige su corriente de sobretensión hacia dicha malla. La filosofía de puesta a tierra de las pantallas, la separación entre las barras de tierra de instrumentos y de protección, así como el trazado de los conductores de unión, se ajustan al diseño del proyecto; un SPD conectado a un conductor de tierra largo e inductivo no alcanzará el nivel residual especificado en sus datos técnicos, independientemente de lo que indiquen sus clasificaciones.

Más allá de los bucles analógicos, las plantas dependen cada vez más de infraestructuras digitales en el campo: segmentos de bus de campo, enlaces serie a sistemas de análisis, videovigilancia por fibra óptica y cobre, y Ethernet industrial para E/S remotas. Cada una de estas interfaces presenta sus propios niveles de tensión y limitaciones de ancho de banda; por ello, la atención del SPD se desplaza hacia la pérdida de inserción, la pérdida de retorno y el formato de los conectores, en lugar de la resistencia del bucle. No obstante, la lógica de ubicación sigue siendo la misma: proteger los puntos donde las líneas cruzan los límites de zona y los extremos de los trazados largos expuestos.

Atmósferas corrosivas y armarios para exteriores

Más allá de la cuestión de los ex, las plantas químicas y las instalaciones costeras someten de manera continua al equipo a condiciones corrosivas. El sulfuro de hidrógeno, el cloro, el amoníaco y el aire cargado de sal corroen los terminales, las carcasas y los sistemas de recubrimiento, y muchas ubicaciones de dispositivos de protección contra sobretensiones —como parques de tanques, muelles de carga y zonas de embarque— se encuentran completamente al aire libre. La categoría de corrosión para cada ubicación se define en la especificación del proyecto, haciendo a menudo referencia a las clasificaciones de la norma ISO 12944.

En cuanto a la protección contra sobretensiones, esto desplaza la atención del módulo al conjunto de la caja: el material de la carcasa (acero recubierto, acero inoxidable o PRV, según se especifique), el grado de protección frente a la entrada de sólidos y líquidos, el material de las prensaestopas y la construcción de los terminales. El módulo de protección contra sobretensiones que se encuentra en su interior suele ser estándar; lo que varía es el sistema de la carcasa y los detalles de instalación que garantizan la estanqueidad frente a la intemperie durante una vida útil de 15 a 25 años.

Los armarios exteriores también concentran varios factores de estrés simultáneamente: los ciclos térmicos, la condensación, las vibraciones próximas a equipos rotatorios y los largos tendidos de cables ya mencionados. Por ello, la selección suele determinar el rango de temperatura de operación, el tipo de carcasa y el recubrimiento en función de la categoría de corrosión, así como la facilidad de mantenimiento: los módulos SPD enchufables con indicación de estado permiten su sustitución durante las inspecciones rutinarias sin necesidad de volver a cablear, lo cual resulta crucial cuando el armario se encuentra en una zona clasificada, donde cualquier intervención requiere autorización.

Los regímenes de inspección completan el panorama. Los indicadores de estado del SPD y los contactos de señalización remota suelen integrarse en las rondas de mantenimiento de la planta y en las listas de alarmas del sistema DCS, de modo que un módulo deteriorado se detecta durante las verificaciones rutinarias en lugar de después de la próxima temporada de tormentas. En áreas clasificadas, esto resulta especialmente valioso, pues cada intervención física implica pruebas de gases, obtención de permisos y, en ocasiones, el aislamiento de equipos adyacentes; el monitoreo remoto del estado reduce el número de veces que es necesario abrir la carcasa.

Distribución del riesgo en toda la planta

La tabla siguiente resume cómo se distribuyen, de manera típica, el riesgo de sobrecarga y el enfoque de protección en las principales áreas de una planta. Se trata de una herramienta de planificación; los planos de clasificación de áreas y la especificación del proyecto siguen siendo de carácter oficial.

Nota: Los niveles de riesgo y las etapas de protección son orientativos. La zonificación real, la exposición y la selección del SPD se determinan en función de la evaluación del riesgo de rayos del proyecto y de la documentación de clasificación de la zona.

Lista de verificación de selección

La lista de verificación a continuación organiza las preguntas que suelen responderse antes de especificar una solución de SPD para un sitio de petróleo, gas o petroquímica. Los valores son dependientes del proyecto y se confirman con base en hojas de datos y certificados.

Nota: esta lista de verificación apoya la revisión técnica y el debate sobre la adquisición. No sustituye la especificación del proyecto, el expediente de verificación de áreas peligrosas ni las condiciones de uso del certificado.

Nota de revisión de ingeniería: Se han verificado la coherencia de las referencias estándar (IEC 61643‑11/21, serie IEC 60079, ATEX 2014/34/UE, ISO 12944) y de las descripciones de los circuitos. Ningún producto mencionado en este artículo se describe por defecto como certificado Ex ni como “a prueba de explosión”; todos los requisitos relacionados con la clasificación Ex se indican como aspectos que deben confirmarse conforme a las especificaciones del proyecto y a la documentación de certificación del modelo específico. Las clasificaciones se presentan como reglas de selección, puesto que los valores finales dependen del proyecto.

Preguntas frecuentes

¿Es adecuada una SPD estándar para su instalación directa en un área peligrosa de Zona 1?

Un módulo SPD estándar no es, por sí solo, un equipo certificado Ex. En zonas peligrosas, suele instalarse dentro de una caja o de una caja de derivación certificada Ex, con pasacables y puesta a tierra también certificados, como parte de una instalación completa diseñada conforme a las normas Ex del proyecto. Cualquier marcaje Ex se aplica únicamente al conjunto o modelo certificado, tal como se indica en su certificado.

¿El SPD modifica la certificación Ex de mis instrumentos o bucles?

El bucle y sus instrumentos siguen regidos por la documentación del proveedor de los instrumentos y por el diseño Ex del proyecto. La incorporación de protección contra sobretensiones constituye un cambio de ingeniería que debe ser revisado dentro del proceso de aprobación del proyecto, y el ámbito de certificación de cada componente debe verificarse a la luz de la documentación correspondiente a su propio modelo.

¿Dónde debe instalarse la protección contra sobretensiones para un bucle de 4–20 mA?

Es práctica común instalar un SPD de señal en la entrada del armario de la sala de control y, en el caso de trazados de cableado extensos que atraviesan áreas abiertas de la planta, otro SPD en el extremo de campo, generalmente dentro de una caja de conexiones. La corriente de fuga, la resistencia en serie y la clasificación de tensión del SPD se ajustan al bucle para que el rendimiento de las mediciones no se vea afectado.

¿Cómo afecta una atmósfera corrosiva a la selección de SPD?

Los gases corrosivos y las atmósferas costeras afectan principalmente a los recintos, terminales y recubrimientos, más que a las características eléctricas del módulo de protección contra sobretensiones (SPD). Los armarios para exteriores suelen especificarse con materiales adecuados, niveles de protección contra la entrada de contaminantes y sistemas de recubrimiento, y la especificación del proyecto define la categoría de corrosión correspondiente.

¿Qué información se necesita para seleccionar una solución de SPD para zonas Ex?

Un paquete inicial práctico incluye la clasificación del área (zona, grupo de gases, clase de temperatura), los tipos de señales de los instrumentos y el número de bucles, las tensiones del sistema y la disposición de puesta a tierra, así como las condiciones ambientales y los certificados requeridos por el proyecto. Puede compartir estos detalles a través de nuestro Página de contacto para el apoyo a la selección.