¿Por qué los pararrayos deben instalarse lo más cerca posible de los equipos?

 

La protección de los pararrayos está dada solo en una distancia L de protección limitada.

Este parámetro depende estrechamente del nivel de protección del pararrayos, o tensión residual Up, y de la pendiente S de la onda de sobretensión. Su valor, que se calcula con la ecuación de la figura 1, corresponde al caso más desfavorable de reflexión total en un extremo abierto.

Figura 1: Arriba: Interacción del pararrayos de sobretensiones con la onda entrante U(t)

Abajo: Cálculo de la longitud L de la protección con reflexión de onda total. La distancia de protección aumenta al reducirse la tensión residual Up pero disminuye cuando se hace mayor la pendiente S de la onda. Para descargas eléctricas a distancia es típica una pendiente en torno a 1.200 kV/μs.

 

L Alcance de protección, en m
UBIL Nivel de aislamiento básico del equipo (por ejemplo un transformador), en kV Up Nivel de protección del pararrayos, en kV
S Pendiente de la onda de sobretensión (aprox. 1.200 kV/μs)
V Velocidad de propagación de la onda

Línea aérea, aprox. 300 m/μs

Cable, aprox. 150 m/μs

 

Dado que no todos los pararrayos ofrecen el mismo nivel de protección, la distancia de protección también varia. La Tabla 1 muestra las diferencias entre los pararrayos disponibles actualmente. Se aprecia que los valores de protección son particularmente bajos en los pararrayos con carcasa de polímero de los tipos MWK y POLIM-D (ABB). Sus mejores distancias de protección los hacen superiores a los demás productos disponibles en el mercado.

Cuanto más cerca del equipo se encuentra un pararrayos, mejor es la protección que ofrece. La conclusión lógica es que la mejor protección se conseguirá combinando estrechamente el pararrayos y el equipo o incluso integrando aquél en éste.

Tabla 1: Comparativa de diversos pararrayos. Los bajísimos niveles de protección de los pararrayos con carcasa de polímero (tipos MWK y POLIM-D) dan como resultado mejores distancias de protección.

Integración de los pararrayos en los equipos

La protección de sobretensión, basada ahora en un pararrayos integrado y no en un pararrayos a distancia, trae consigo varias ventajas obvias. No sólo se hace mejor y más eficaz la protección, sobre todo para las corrientes transitorias súbitas, sino que la combinación de equipos resulta más económica por la menor necesidad de espacio y por la reducción del trabajo logístico y de montaje.

Este tipo de integración ya se ha implementado satisfactoriamente, por ejemplo en los transformadores, en los cuales el pararrayos se encuentra en un depósito, sumergido en aceite o integrados en los bornes de MT. También son conocidas las combinaciones con seccionadores de Alta Tensión y desconectadores de fusible de Media Tensión. En el desconectador de fusible que aparece en la figura 2, uno de los aisladores de poste ha sido sustituido por un pararrayos MWK (ABB) de alto rendimiento. El resultado es una protección más eficaz contra las sobretensiones, una reducción de las necesidades de espacio y mayor facilidad del montaje. Otras posibilidades son la integración en aisladores de línea o en transformadores de medición.

Figura 2: Seccionador-fusible. El aislador de poste de la izquierda posee un pararrayos MWK integrado; el aislador de la derecha es de tipo convencional.

La figura 3 muestra un pararrayos-aislador de línea del tipo POLIM-S (ABB), suspendido, que en un mismo dispositivo combina las funciones de soporte mecánico y de protección contra las sobretensiones. También se han creado diversas combinaciones, en estrecha proximidad, de pararrayos y pasantes de alta tensión para obtener una protección del transformador más eficaz y para un pasante de alta tensión con aislamiento de gas.

Figura 3: Pararrayos-aisladores de línea en suspensión, combinando el soporte mecánico y la protección contra sobretensiones en un solo dispositivo

El pasante-pararrayos de media tensión, plenamente integrado, que aparece en la figura 4, combina un pararrayos normal de clase 2 con un pasante de intemperie para formar un único componente compacto. Estas soluciones son factibles gracias al desarrollo de nuevos elementos tubulares de MO (óxidos metálicos) que permiten una integración concéntrica extremadamente compacta sin afectar a la funcionalidad del dispositivo de protección o del pasante.

Figura 4: Posibilidades de integración: el pararrayos de 24 kV (centro izquierda) y el pasador de intemperie (izquierda) se pueden combinar formando un pasante-pararrayos compacto (centro derecha) que puede conectarse a una terminación DIN estándar.

Esta integración, que tiene efectos críticos sobre las características del campo eléctrico de los equipos, ha de ser tenida en cuenta en el diseño. Es necesario, por ejemplo, investigar a fondo la influencia mutua de las partes adyacentes sobre la distribución del campo.

Los ensayos y cálculos de campo han demostrado la posibilidad de obtener soluciones optimizadas y altamente integradas. En la figura 5 se muestra, por ejemplo, el trazado para una terminal de cable con pararrayos integrado. Este ejemplo evidencia la uniformidad de la distribución del campo dada por los elementos MO, la cual proporciona al mismo tiempo la función de nivelación del campo eléctrico y la absorción de sobretensiones en el dispositivo integrado.

Figura 5: Distribución del campo eléctrico para una terminación de pararrayos integrado de 24 kV

Una desventaja potencial de la integración es que una sobrecarga del pararrayos podría afectar al funcionamiento del material utilizado para el encapsulado. Sin embargo, la probabilidad de que esto ocurra se reduce al seleccionar una mayor capacidad de absorción de energía, tomando por ejemplo CEI clase 2 en lugar de clase 1. En el ejemplo de la figura 3, se han seleccionado pararrayos CEI clase 3 para reducir de manera importante las averías y proporcionar la máxima disponibilidad posible incluso cuando se producen descargas eléctricas muy frecuentes. Los ensayos de resistencia del aislamiento se ven afectados, naturalmente, por el pararrayos integrado y, en consecuencia, se precisan nuevos criterios de ensayo. Este punto se analiza, por ejemplo, en CEI 60694.

 

FUENTE:

Revista ABB 1/2002: Nuevos enfoques de la protección contra sobretensiones (Walter Schmidt, Felix Greuter)

 

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