Pararrayos de Alta Tensión

¿Qué son los pararrayos de alta tensión? ¿Para qué funcionan?

Los pararrayos son descargadores de sobretensión y se utilizan para proteger a los equipos de potencia contra los efectos de las sobretensiones entrantes. Esas sobretensiones pueden ser causadas por la caída de un rayo, por un pulso electromagnético, por una descarga electrostática o por operaciones de conmutación en el sistema de alimentación.

En otras palabras, cuando ocurren sobretensiones muy altas en energía, la corriente de la sobretensión se desvía a tierra través del pararrayos. Por lo tanto, los pararrayos deben instalarse en puntos de entrada o salida de equipos de potencia que tengan alta probabilidad de sufrir sobretensiones.

Por ejemplo, las líneas de transmisión que llegan a las subestaciones de alta tensión están muy propensas a recibir el impacto directo de un rayo, lo que podría ocasionar una sobretensión en los transformadores de la subestación. Entonces, para proteger los equipos de la subestación, se deben instalar pararrayos en la llegada de cada línea a la subestación.

Pararrayos de Alta Tensión - Transformador
Imagen Referencial: Pararrayos de Alta Tensión. Fuente: SIEMENS, modelo 3EQ4 en Subestación Bidingen 400kV.

Además, como los transformadores de potencia son los equipos más costosos de la subestación y son muy sensibles a los efectos de las sobretensiones, también se deben colocar pararrayos en el lado de alta tensión del transformador, o en ambos lados en caso de que en el lado de baja también haya líneas aéreas.

En general, existen muchas aplicaciones en las que se requiere el uso de pararrayos, por lo que existen muchos tipos de pararrayos que se pueden adaptar a las exigencias particulares de cada proyecto. Sin embargo, en este artículo haremos referencia solamente a los pararrayos que se utilizan en subestaciones de alta tensión aisladas en aire.

Pararrayos de Alta Tensión - Porcelana
Pararrayos de Porcelana de Alta y Extra Alta Tensión. Marca SIEMENS, Modelo 3EP6.

¿Cómo Ocurre la Descarga de Sobretensión en los Pararrayos?

Durante condiciones normales de operación, los pararrayos no deben ocasionar efectos negativos en el sistema de potencia, pero, al mismo tiempo, deben ser capaces de soportar sobretensiones típicas sin sufrir ningún daño.

Existen varias tecnologías con las que se pueden lograr estos objetivos en los pararrayos. Aunque, las más comunes hoy en día son las resistencias no lineales, especialmente las que son hechas de óxido de metal (MO: Metal Oxide) debido a que tienen las siguientes propiedades:

  • Se comportan como “baja resistencia” durante las sobretensiones. Por lo tanto, cuando ocurren sobretensiones, el exceso de energía puede eliminarse rápidamente del sistema de eléctrico mediante una alta corriente que se descarga a través del pararrayos por ser el camino a tierra con menor resistencia.
  • Se comportan como “alta resistencia” durante el funcionamiento normal. Esto evita efectos negativos en el sistema de potencia cuando no hay condiciones de sobretensión.
  • Tienen suficiente capacidad de absorción de energía para un funcionamiento estable.

Varistores de Óxido de Metal (MOV)

Hoy en día, las resistencias no lineales usadas en la fabricación de los pararrayos son los Varistores de Óxido de Metal, también identificados como “MOV” por sus siglas en inglés “Metal Oxide Varistors“.

Los MOV se caracterizan por su alta capacidad de absorción de energía frente a impulsos de corriente de larga duración, y por evitar fugar térmicas. Es decir, minimizan el autocalentamiento del pararrayos y reducen la probabilidad de autodestrucción durante la absorción de esa energía.

Pararrayos de Silicón de alta Tensión. Marca SIEMENS, modelo 3EL2.
Pararrayos de Silicón de Alta Tensión. Marca SIEMENS, modelo 3EL2.

Tipos de Pararrayos de Alta Tensión

Hoy en día existen varios tipos de pararrayos de alta tensión, sin embargo, los más comunes son los siguientes:

  • Pararrayos con Carcasas de Porcelana.
  • Pararrayos con Carcasas de Silicona.

Cada tipo de pararrayos se utiliza en aplicaciones diferentes dependiendo de las exigencias de los proyectos. Aunque en todos los casos, estos equipos deben tener alta estabilidad mecánica para garantizar seguridad frente a eventos sísmicos.

Pararrayos de Alta Tensión - Porcelana3
Imagen Referencial: Pararrayos de Alta Tensión de Porcelana. Fuente: Catálogo SIEMENS

En algunos casos, los pararrayos deben equiparse con protección especial para alivio de presión altamente confiable para evitar que la carcasa explote por no poder soportar la cantidad de energía que está descargando.

Por otra parte, si se usan en regiones costeras, desérticas, o en áreas con extrema contaminación atmosférica, entonces los pararrayos deben equiparse con capas de contaminación especiales.

1. Pararrayos con Aislamiento de Porcelana

Los pararrayos de porcelana cuentan con un dispositivo de alivio de presión direccional que garantiza la máxima protección en caso de sobrecarga. Además, están equipados con bridas de aluminio que se cementan a la carcasa en ambos extremos. De esta manera, se aumenta la resistencia mecánica de toda la carcasa y se evita la entrada de humedad y el riesgo de corrosión.

Este tipo de pararrayos tienen un alto grado de seguridad y fiabilidad, por lo que se pueden instalar muy cerca de otros componentes costosos del sistema eléctrico en subestaciones de extra alta tensión. Además, este tipo de diseño es prácticamente indestructible durante el transporte, las instalaciones, las tormentas y los terremotos, además, son inmunes al vandalismo.

Pararrayos de Alta Tensión - Porcelana
Pararrayos de Alta Tensión con Carcasa de Porcelana. Marca SIEMENS, modelo 3EP.

2. Pararrayos con Aislamiento de Goma de Silicona

Este tipo de pararrayos tienen carcasa de polímero que utiliza goma de silicona como material aislante debido a que es altamente hidrofóbico y de larga duración. Entre las principales ventajas del aislamiento de goma de silicona tenemos las siguientes:

  • Impide que se forme humedad conductiva en la superficie del pararrayos, evitando así corrientes y descargas en la superficie.
  • La silicona es altamente ignífuga y autoextinguible.
  • La silicona no está sujeta a la erosión ni es sensible a la radiación ultravioleta.

El principal beneficio de este material aislante es que asegura la larga vida útil de los pararrayos, sin degradarse por condiciones ambientales agresivas, como la niebla salina en las regiones costeras o el aire cargado de polvo en áreas industriales.

Pararrayos de Alta Tensión - Silicon
Pararrayos de Alta Tensión con Carcasa de Silicon. Marca SIEMENS, modelo 3EQ.

Conclusión

La protección de los equipos de potencia en las subestaciones de transmisión no solamente depende de los relés de protección, sino que también dependen de equipos externos, como los pararrayos, que puedan resistir mecánicamente los efectos de las perturbaciones en el sistema eléctrico. En el caso de los pararrayos, soportan las sobretensiones de forma segura y disipan esa energía de tal modo que la tensión que llega a los equipos protegidos de la subestación permanezca siempre por debajo de su tensión soportada.

Adicionalmente, la principal ventaja de los pararrayos es que están dimensionados para permanecer estables tanto eléctrica como térmicamente mientras maneja todo el estrés transitorio, temporal y a largo plazo que resulta de la operación de la red.

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Fuentes

catalogue-hv-surge-arresters-en.pdf (siemens.com)

High-voltage surge arresters | Hitachi Energy

High-voltage station arresters | Surge arresters | Siemens Energy Global (siemens-energy.com)

HV/MV Equipment – Surge Arresters : GE Grid Solutions

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