Descargadores de sobretensión explicados: principios, tipos y aplicaciones - Una guía práctica para ingenieros de sistemas de potencia

Los pararrayos son dispositivos de protección esenciales en los sistemas eléctricos de potencia modernos. Limitan las sobretensiones transitorias causadas por rayos, maniobras de conmutación y otras perturbaciones, lo que ayuda a proteger transformadores, cables, aparamenta eléctrica y otros equipos sensibles al aislamiento. Los pararrayos modernos de alta tensión se basan principalmente en la tecnología de óxido metálico, en particular de óxido de zinc (ZnO). La norma IEC 60099-4 cubre los pararrayos de óxido metálico sin explosores para sistemas de potencia de corriente alterna superiores a 1 kV.

Un pararrayos se conecta entre el sistema eléctrico y tierra para limitar sobretensiones transitorias peligrosas. Bajo tensión normal, solo conduce una pequeña corriente de fuga. Durante una sobretensión, su resistencia disminuye rápidamente, permitiendo que la corriente de sobretensión fluya a tierra y limitando la tensión aplicada al equipo protegido. Una vez transcurrido el transitorio, regresa a un estado de alta impedancia.

El elemento activo de un pararrayos moderno de óxido metálico es una columna de bloques varistores de óxido de zinc con una característica corriente-tensión fuertemente no lineal. A tensión normal de operación, los bloques conducen muy poca corriente. Cuando una sobretensión por rayo o maniobra eleva la tensión, la conducción aumenta de forma pronunciada, desviando la corriente de sobretensión y limitando la sobretensión. El diseño sin explosores proporciona una respuesta rápida sin la necesidad del explosor en serie utilizado en tecnologías anteriores.

Los pararrayos se pueden clasificar según su clase de aplicación y por el material de su envolvente. La siguiente tabla resume los principales tipos comúnmente utilizados en sistemas de potencia:

Entre los factores de selección importantes se incluyen los siguientes:

• Tensión de operación continua (Uc) y tensión nominal;
• Capacidad de sobretensión temporal;
• Corriente nominal de descarga;
• Tensión residual o nivel de protección;
• Capacidad de absorción de energía;
• Condiciones de puesta a tierra;
• Contaminación y altitud;
• Lugar de instalación.

Una selección correcta garantiza que el pararrayos soporte las condiciones normales del sistema mientras proporciona una protección eficaz contra transitorios.

Las aplicaciones típicas incluyen:

• Protección de transformadores de potencia;
• Protección de barras y aparamenta de subestaciones;
• Líneas aéreas de transmisión y distribución;
• Puntos de transición de cables subterráneos;
• Protección de generadores y motores;
• Sistemas de energía renovable;
• Instalaciones eléctricas industriales.

El objetivo principal es mantener las sobretensiones transitorias por debajo de la capacidad de soportabilidad del aislamiento del equipo protegido.

Los pararrayos están expuestos a esfuerzos eléctricos, térmicos, ambientales y mecánicos. El envejecimiento, la entrada de humedad, la contaminación, los ciclos repetidos de sobretensión y la absorción excesiva de energía pueden afectar su condición. La evaluación puede incluir inspección visual, medición de corriente de fuga, inspección termográfica y otros métodos de diagnóstico. El análisis de la corriente de fuga se estudia ampliamente como un método de monitoreo de condición para pararrayos de óxido metálico.

Los pararrayos son una parte fundamental de la coordinación del aislamiento. El nivel de protección del pararrayos debe estar suficientemente por debajo del nivel de soportabilidad del equipo a proteger. La instalación también es determinante: los conductores de conexión largos pueden aumentar la tensión experimentada por el equipo protegido durante corrientes transitorias rápidas. Por lo tanto, la correcta selección del pararrayos, la puesta a tierra, la longitud de las conexiones y la disposición deben considerarse en conjunto.

Los pararrayos proporcionan una capa fundamental de protección contra sobretensiones causadas por rayos y maniobras de conmutación. Los pararrayos modernos de óxido metálico aprovechan las características no lineales de los varistores de ZnO para desviar la energía de la sobretensión y limitar el estrés de tensión. Comprender los tipos de pararrayos, principios de funcionamiento, valores nominales, requisitos de instalación y monitoreo de condición ayuda a los ingenieros a seleccionar y mantener una protección contra sobretensiones eficaz. Una aplicación adecuada puede reducir el estrés del aislamiento, mejorar la confiabilidad de los equipos y respaldar la estabilidad a largo plazo del sistema de potencia.