El peligro inherente de las sobretensiones

Las sobrecargas eléctricas son más comunes de lo que se piensa y son ocasionadas por varios factores. Pueden estar asociadas a:

• Condiciones climáticas intensas (tormentas
  eléctricas)
• Problemas con el servicio público
• Bancos de capacitores

Estas circunstancias amenazan con dañar o destruir equipos que se encuentren conectados a la red eléctrica y desprotegidos. Incluso pequeñas sobretensiones pueden degradar el rendimiento de los equipos y reducir su vida útil. Es importante proteger a los equipos sumergibles instalados en los pozos mecánicos por su alto costo de inversión, extracción y reinstalación y porque son una parte crítica del suministro de muchas redes de agua potable y de uso industrial y agrícola.
El sistema de puesta a tierra es una parte clave de cualquier instalación eléctrica y tiene como objetivos principales:

• Proteger la infraestructura y los motores sumergibles
• Garantizar la operación de las protecciones
• Estabilizar el voltaje
• Disipar las descargas electro-atmosféricas
• Limitar las sobretensiones transitorias (picos de voltaje)
• Drenar cargas estáticas que presentan las masas metálicas respecto a tierra

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¿Qué son los picos de voltaje?

Los picos de voltaje son fenómenos eléctricos temporales con duraciones de microsegundos (una millonésima de segundo o 10-6) a nanosegundos (una mil millonésima de segundo o 10-9) que se conocen también como transientes. Usualmente se dan con corrientes promedio en el rango de los kiloamperios (miles de amperios). Se producen por eventos que se generan y transmiten en las redes de distribución eléctrica tales como descargas electro atmosféricas y
electrostáticas, arranque de motores, bancos de capacitores, entre otros y causan daños a circuitos de control y de fuerza, microcontroladores, memorias y procesadores de equipos eléctricos y electrónicos. Estos efectos dañinos se limitan mediante protectores contra sobretensiones transitorias que actúan derivando la energía de la sobretensión hacia la tierra física, evitando así daños en los equipos eléctricos y electrónicos.

Duración de transientes

¿Qué es supresor de picos?

Los supresores de picos eléctricos o sobretensiones eléctricas transitorias (mal llamados Pararrayos), SPD por sus siglas en inglés (Surge Protective Devices), son dispositivos destinados a proteger las instalaciones eléctricas contra estas sobretensiones (elevaciones de voltaje instantáneas) y picos de voltaje generados en una línea eléctrica por fenómenos transitorios, como los describimos arriba. Los SPD desvían la energía de éstos eventos transitorios, recortando parte de la sobretensión y dirigiéndola hacia la tierra, con la finalidad de que la energía excesiva de estos eventos no dañe a los equipos. La utilización de equipos de supresores de picos de voltaje permite la protección de equipos conectados a la red eléctrica y aseguran un funcionamiento correcto y una vida útil larga para cualquier equipo eléctrico, incluyendo los motores sumergibles.

A pesar de la creencia común, los supresores de pico no protegen contra un rayo directo al sistema de control del motor sumergible. Además, los SPD son solo uno de los dispositivos requeridos para la protección integral de un motor eléctrico y deben instalarse de acuerdo a las recomendaciones del fabricante.

Crucial: Una buena conexión a Tierra del Supresor de Picos Eléctricos

Una inadecuada conexión a tierra física es uno de los errores más comunes que encontramos en la instalación de motores sumergibles en pozos de agua. La calidad de protección depende de la efectividad de una adecuada puesta a tierra para su correcto funcionamiento. Un supresor de picos que proteja las 3 líneas de alimentación y adecuado al voltaje y condiciones de instalación del motor debe ser conectado a tierra física, metal con metal en toda la distancia hasta la capa freática para ofrecer una protección efectiva. Si el ademe (casing) del pozo es de metal, este provee una insuperable conexión a tierra, pues va directamente a la capa freática a través de una amplia área de contacto y transmisibilidad. Si el ademe es de PVC, debe utilizarse una cuarta línea conectada también metal con metal directamente al cuerpo del motor. Esta línea debe ser del mismo calibre del conductor de alimentación hacia el motor.

Recomendamos el uso de un interruptor de falla a tierra (GFCI por sus siglas en inglés), para reducir el riesgo de electrocución y daño irreparable al motor en caso de que la conexión a tierra se debilite o se interrumpa en algún momento. Consulte los códigos eléctricos aplicables en su país.

ADVERTENCIA: Aterrizar el supresor de picos a una conexión de tierra del suministro eléctrico o a una varilla activa aterrizada, proporciona poca o nula protección al motor contra picos de voltaje.

Tipos de supresores de picos

Los Supresores de Picos modernos fueron inventados en 1971 por Mike Craddock quien eliminó la necesidad de un arco eléctrico para desviar la corriente mediante el uso de dióxido de silicón que no es conductivo a bajos voltajes pero se vuelve conductor a altos niveles de energía. Hoy en día existen una gran variedad de supresores de picos en el mercado. Hay algunos que tienen un bajo umbral de voltaje de descarga (spark-over) combinado con baja capacidad de voltaje máximo (clamping o discharge voltage). Para proteger adecuadamente los motores sumergibles, debemos escoger aquel supresor de picos que tenga una alta capacidad de voltaje (clamping voltaje) y que responda lo más rápidamente posible, aunque tenga un spark-over más alto. Los SPD con un umbral de voltaje bajo (spark-over bajo), son adecuados para proteger circuitos electrónicos muy sensibles en redes protegidas no sujetas a muy altos voltajes.

Independientemente de cual utilicen, para una adecuada protección de motores sumergibles, se deben instalar supresores de picos exclusivos que protejan todas las líneas (dos en sistemas monofásicos y tres en sistemas trifásicos), conectados directamente a tierra física, en la capacidad y rango de intensidad adecuados. Abajo verán las fotos de algunos de ellos.

En conclusión, para proteger adecuadamente los motores sumergibles, es indispensable la instalación de un Supresor de Picos, que brinda los siguientes beneficios:

• Evita daños físicos en los motores causados por picos o descargas eléctricas
• Alarga la vida útil de los equipos
• Reduce reparaciones o reemplazos del motor sumergible
• Reduce suspensiones innecesarias del
  servicio de agua proveniente de los pozos

Generalidades

Todas las bombas sumergibles deben instalarse con al menos una válvula de cheque, la cual debe ser de tipo resorte para uso pesado, de la mejor calidad y capaz de soportar altas presiones y pesos. Jamás deben usarse válvulas cheque de tipo bisagra. Las válvulas de cheque permiten el flujo de agua en una sola dirección y se usan para mantener la columna de agua en el sistema cuando para la bomba. También previenen el giro inverso, golpes de ariete y daños en los componentes mecánicos por empuje ascendente. La instalación adecuada de estas válvulas puede evitar fallas prematuras en la bomba o el motor.  Las condiciones más comunes derivadas de la ausencia, daño o inadecuada instalación de válvulas de cheque en un sistema de bombeo sumergibles son:

Giro Inverso – Con una válvula de retención defectuosa el agua del sistema puede regresar por la tubería de descarga cuando se detiene el motor, lo cual puede provocar que la bomba gire en dirección inversa. Si el motor se enciende mientras esto sucede puede presentar una fuerte tensión sobre el conjunto  motor-bomba lo cual puede provocar rotura del eje, daños a los impulsores y desgaste excesivo en el cojinete de empuje, etc.

El cuerpo de la válvula de retención está construido para soportar las presiones nominales y el flujo del sistema y para soportar el peso de la bomba sumergible, la tubería y el agua dentro de la misma. No debe subestimarse el peso del agua dentro de la tubería, la cual puede llegar a ser superior al peso de la tubería y de la bomba misma. Además, las válvulas están diseñadas exclusivamente para absorber algunos golpes hidráulicos de agua asociados con el bombeo de agua de pozo.

Empuje Ascendente (Upthrust) – Con una válvula de retención dañada, la bomba puede arrancar con una condición de carga muy baja, fuera de la curva de rendimiento de diseño de la bomba. Esto provoca una elevación o empuje ascendente en el eje motor/bomba y se crea una condición de empuje ascendente en el motor. Este empuje ascendente constante puede causar fallas prematuras en la bomba y el motor, tales como desgaste en la parte superior de los impulsores y desgaste en el cojinete de empuje y sellos del motor.

Golpe De Ariete – Se puede generar un vacío parcial si la válvula de retención inferior está a más de 30 pies sobre el nivel estático, o si una válvula instalada más abajo tiene daño mientras que la inmediata superior funciona adecuadamente. En el siguiente arranque de la bomba, el agua que se mueve a muy alta velocidad llena el vacío y golpea la válvula de retención cerrada, provocando que el agua estancada en la tubería que está arriba de ésta genere un choque hidráulico. Este choque llamado golpe de ariete puede dañar la bomba y/o el motor. El golpe de ariete hace un ruido fuerte fácil de detectar.

El golpe de ariete se produce cuando el agua bombeada que fluye a través del sistema de tuberías  cambia de velocidad abruptamente. El agua bombeada tiene una cierta cantidad de energía (peso x velocidad) cuando está en movimiento. Si se detiene el bombeo, el agua continúa moviéndose por  y la energía restante se debe absorber de alguna forma. En ocasiones, esta absorción de energía puede crear un ruido no deseado o daños a la tubería y demás componentes. A esto se le denomina golpe de ariete. Los golpes de ariete pueden destruir sistemas de tuberías, válvulas y equipos relacionados y varían en intensidad dependiendo de la velocidad con la que el agua se desplaza cuando la bomba se apaga. Es muy importante para el instalador darse cuenta del potencial del golpe de ariete; además, debe tener esto en cuenta cuando dimensione el sistema y cuando decida el material del cual estarán hechas las válvulas. Se ha comprobado que por cada 1 pie/seg de velocidad, se crean 54 psi de contrapresión. Esto significa que, en una tubería de 1”, un flujo de solo 10 GPM puede crear una contrapresión de 370 psi o más cuando la bomba se apaga y la columna de agua retrocede. ¡En una tubería de 4”, un flujo de 350 GPM puede crear una contrapresión de 860 psi! Las válvulas de cheque de buena calidad están diseñadas para disminuir los efectos, muchas veces dañinos, del golpe de ariete en las tuberías y los equipos relacionados.

INSTRUCCIONES DE INSTALACIÓN IMPORTANTES

Es muy importante instalar correctamente la válvula de cheque para garantizar un sistema de agua que funcione sin problemas. En la parte inferior de esta página hay un diagrama de la instalación típica de una válvula sumergible. Cuando seleccione una válvula de retención sumergible, asegúrese de que tenga la capacidad de manejar el caudal bombeado por la bomba, idealmente que la velocidad de flujo no exceda los 10 pies por segundo. Velocidades de flujo más altas aumentan las pérdidas de fricción, los golpes hidráulicos y la posibilidad de golpes de ariete destructivos lo cual puede provocar una falla grave del sistema y sus componentes.

Presión del sistema: Es importante considerar la carga dinámica total y el caudal para seleccionar el tipo y modelo adecuado de la válvula de cheque. En general, las válvulas tienen una clasificación de presión de 400 PSI (920 pies o 280 mca) de presión de agua o de 600 PSI (1386 pies o 422 mca). Para reducir los golpes hidráulicos en la tubería ascendente, se recomienda instalar una válvula de retención cada 200 pies de tubería de descarga.

Antes de instalar la válvula de cheque: Asegúrese de que la válvula no tenga defectos y de que el mecanismo accionado por resorte de la válvula de retención funcione libremente. Retire cualquier material extraño (por ejemplo, lubricante para tuberías) del asiento de válvula. No aplique lubricante para tuberías a las roscas hembra de la válvula de retención, solo aplíquelo al extremo macho de la tubería.

Instale la válvula de retención de manera vertical, con la flecha apuntando hacia arriba en dirección del flujo de líquido.  En las aplicaciones de bombeo sumergible, la primera válvula de retención se debe instalar directamente a la descarga de la bomba. Si la bomba no tiene una válvula de retención incorporada, la primera válvula de cheque se debe instalar no más de 25 pies sobre el nivel dinámico de bombeo del pozo.

Para instalaciones más profundas, además de la primera válvula de cheque en la descarga de la bomba, se recomienda instalar válvulas de cheque adicionales instaladas en intervalos de 200 pies y una más en la superficie del pozo, si hay distancia/altura adicional hasta el tanque de reserva de agua. Como referencia, abajo se identifica el símbolo aceptado para diagramar una válvula de cheque tipo resorte en un plano u un diagrama de sus componentes principales.

SÍMBOLO DE CHEQUE TIPO RESORTE

COMPONENTES BÁSICOS DE UNA VÁLVULA DE CHEQUE TIPO RESORTE

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