Pararrayos: Evolución Materiales y Protección contra Rayos Explicados

Pararrayos y su evolución

Un pararrayos siempre se conecta en paralelo con el equipo eléctrico que protege. No interfiere con la operación normal del equipo a tensión de sistema. Sin embargo, cuando aparece un sobretensión peligrosa en el equipo, el pararrayos conduce primero, desviando la sobretensión de forma segura hacia tierra.

La forma más temprana y simple de pararrayos consistía en dos varillas metálicas separadas por un espacio y conectadas en paralelo a través del equipo eléctrico. Cuando la tensión a través de este espacio superaba cierto umbral, el aire (el espacio) se descomponía, protegiendo el equipo. Este tipo de pararrayos se conoce como "espacio de expulsión" o "espacio protector".

El fenómeno del rayo es similar: las nubes de tormenta y la tierra actúan como dos conductores (electrodos). Cuando la tensión entre ellos se vuelve demasiado alta, el aire entre ellos se descompone, resultando en un rayo.

Sin embargo, hay una diferencia crucial. Los espacios protectores están conectados directamente a través de las líneas de alimentación. Una vez que una sobretensión peligrosa hace que el espacio se descomponga (es decir, el aire entre las varillas se ioniza), la planta de energía o subestación no está al tanto de este evento, o no puede reaccionar lo suficientemente rápido. Por lo tanto, continúa suministrando corriente al espacio ahora conductor. Dado que el espacio proporciona un camino hacia tierra, esta corriente fluye continuamente, causando un cortocircuito en el sistema de energía. Así, mientras que los espacios protectores son fáciles de usar, su operación crea un arco sostenido a través del espacio, llevando a una condición de cortocircuito.

¿Cómo se podría extinguir rápidamente el arco a través del espacio protector después de su operación? Esto llevó al desarrollo del pararrayos de segunda generación, el pararrayos de expulsión (o de tubo). Este diseño confina primero el arco dentro de un tubo y luego emplea métodos para extinguirlo.

No obstante, los pararrayos de expulsión todavía tienen un inconveniente: independientemente de su capacidad de extinción de arcos, todavía desvían la corriente del sistema de energía directamente a tierra, causando un fallo momentáneo a tierra (cortocircuito).

Una solución ideal sería un dispositivo que bloquee la corriente o permita solo una fuga mínima bajo tensión normal, evitando así cortocircuitos, pero que conduzca rápidamente corrientes de sobretensión grandes (como los rayos) a tierra cuando ocurren sobretensiones peligrosas. En términos simples, tal dispositivo actuaría como un "interruptor inteligente", sabiendo exactamente cuándo abrir y cerrar. En los pararrayos, este "interruptor inteligente" se realizó inicialmente utilizando un material llamado carburo de silicio (SiC). Los pararrayos hechos de este material se conocen como pararrayos de válvula, ya que funcionan como válvulas eléctricas.

Es importante señalar que esta "válvula" es un componente eléctrico, no una válvula mecánica como un grifo o una válvula de tubería. Las válvulas mecánicas son demasiado lentas para responder a los rayos, que golpean en microsegundos. En cambio, se requiere una "válvula" eléctrica hecha de un resistor no lineal. El carburo de silicio fue el primer material de resistor no lineal descubierto para uso en aplicaciones de alta tensión.

La tecnología evoluciona continuamente. Se descubrió un segundo material de resistor no lineal para pararrayos: óxido de zinc (ZnO). Realiza una función similar al carburo de silicio, pero exhibe características de "válvula" superiores, profesionalmente descritas como tener mejor no linealidad.

¿Qué es la no linealidad? Figurativamente, significa hacer lo opuesto: ser pequeño cuando debería ser grande, y grande cuando debería ser pequeño, a diferencia de los componentes lineales, que escalan proporcionalmente.

En los pararrayos, la no linealidad se manifiesta de la siguiente manera: cuando la corriente es alta (por ejemplo, durante un pico de rayo), la resistencia se vuelve muy baja, y cuanto menor es la resistencia, mejor es la no linealidad. Cuando la corriente es baja (después de que ha pasado el pico de rayo y el sistema vuelve a la tensión de operación normal), la resistencia se vuelve muy alta, y cuanto mayor es la resistencia, mejor es la no linealidad.

El carburo de silicio exhibe no linealidad, pero no es ideal. Bajo tensión de operación normal, su resistencia no es suficientemente alta, permitiendo que fluya una pequeña corriente de fuga a través del pararrayos, como una válvula que no cierra herméticamente, resultando en un goteo constante de corriente.

Este comportamiento es inherente al material, y los esfuerzos para eliminar esta fuga a través de mejoras en el material han sido en gran medida ineficaces. Por lo tanto, cuando se utiliza carburo de silicio en pararrayos, se emplean soluciones estructurales: el pararrayos se aísla inicialmente de la línea y solo se conecta durante un pico. Esta tarea se realiza utilizando un espacio de aire en serie. Por lo tanto, los pararrayos de válvula casi siempre requieren un espacio. En contraste, las válvulas de óxido de zinc "cierran herméticamente" bajo tensión de operación normal, por lo que no requieren un espacio en serie.

A medida que la tecnología de fabricación de óxido de zinc ha mejorado, las limitaciones iniciales en la capacidad de "cerrar" se han superado. Sin embargo, debido a la prevalencia histórica de diseños con espacio, algunos pararrayos de óxido de zinc aún incorporan espacios. No obstante, los pararrayos de óxido de zinc sin espacio constituyen la gran mayoría.

Dado que el óxido de zinc es un óxido metálico, estos pararrayos también se conocen como Pararrayos de Óxido Metálico (MOSA).

Protección contra rayos en sistemas de energía

Desde la perspectiva de los dispositivos de protección contra rayos, existen tres tipos principales: pararrayos (terminales aéreos), cables de guarda (cables de escudo) y pararrayos. Los dos primeros son estructuralmente simples, esencialmente solo varillas y cables, mientras que el último es más complejo debido a su dependencia de resistores no lineales que actúan como "interruptores inteligentes".

Desde la perspectiva de los objetos protegidos, la protección contra rayos se puede categorizar en: protección de líneas aéreas, protección de subestaciones y protección de motores.

Las líneas aéreas abarcan vastas distancias, expuestas en áreas abiertas. Para minimizar el impacto en la vida terrestre y los ecosistemas, se erigen a alturas significativas. Como dice el refrán, "el árbol más alto atrapa más viento", lo que las convierte en blancos principales para los rayos. Las estadísticas muestran que la mayoría de las fallas en la red de energía son causadas por rayos en las líneas. Por lo tanto, las líneas aéreas deben protegerse. Sin embargo, debido a su longitud, la protección absoluta es impráctica y prohibitivamente costosa. Por lo tanto, la protección de la línea es relativa: se permite que algunos rayos golpeen la línea y causen flashovers. Esta protección se logra principalmente utilizando cables de guarda.

Por otro lado, las subestaciones son mucho más críticas. Sirven como centros del sistema de energía, albergando equipos y personal concentrados. Por lo tanto, sus requisitos de protección contra rayos son extremadamente altos.

Los rayos pueden alcanzar una subestación a través de dos rutas principales: golpes directos, mitigados por pararrayos (o a veces cables de guarda); y sobretensiones propagándose desde rayos en líneas de transmisión, que se manejan principalmente con pararrayos.

La protección contra rayos para motores (incluyendo generadores, condensadores síncronos, cambiadores de frecuencia y motores eléctricos) es tan crítica como la protección de subestaciones. Los generadores son el "corazón" del sistema de energía, y los grandes motores son impulsores industriales vitales. El daño por rayos a estos componentes resulta en pérdidas significativas. Sin embargo, la protección de motores es más desafiante que la protección de subestaciones. Los motores son máquinas rotativas, por lo que su aislamiento no puede ser excesivamente grueso y debe ser sólido (a diferencia del aislamiento líquido utilizado en transformadores). El aislamiento sólido es propenso al envejecimiento, lo que requiere no solo protección primaria con pararrayos, sino también medidas de protección auxiliares adicionales.

Pararrayos de óxido de zinc con carcasa compuesta

Un pararrayos es un dispositivo eléctrico con dos electrodos, uno generalmente conectado a tierra y el otro a alta tensión, separados por un material aislante, conocido profesionalmente como aislador.

Dado que la mayoría del equipo de sistemas de energía está expuesto a la atmósfera, las superficies aislantes están en contacto directo con el entorno. Esta parte del aislamiento se denomina aislamiento externo o aislamiento exterior.

El aislamiento exterior está constantemente expuesto a la luz solar, lluvia, viento, nieve, niebla y rocío. Por lo tanto, los materiales de aislamiento exterior calificados deben poseer no solo excelentes propiedades eléctricas y mecánicas, sino también una resistencia superior a las condiciones climáticas y una vida útil de 40-50 años. Actualmente, la porcelana es el material de aislamiento exterior más ampliamente utilizado en ingeniería, con vidrio templado también utilizado en aplicaciones de línea.

La porcelana y el vidrio son materiales inorgánicos. Además de sus excelentes propiedades eléctricas y mecánicas, su ventaja clave es la estabilidad ambiental, una resistencia excepcional a las condiciones climáticas, lo que les ha permitido dominar el aislamiento externo de sistemas de energía durante casi un siglo.

Sin embargo, comparten una debilidad común: sus superficies son hidrófilas. Esto permite que las capas de contaminación en la superficie del aislador absorban humedad. Cuando la contaminación se combina con la humedad, permite el flujo de corriente, potencialmente causando un flashover a través de la superficie del aislador bajo tensión de operación normal. Esto se conoce comúnmente como flashover de contaminación, más específicamente, descarga superficial a lo largo de un aislador contaminado y mojado.

En las últimas décadas, el caucho de silicona se ha adoptado ampliamente en todo el mundo para reemplazar los materiales tradicionales en aisladores. El caucho de silicona es un material orgánico que exhibe una fuerte hidrofobicidad, aumentando significativamente la tensión de flashover de aislamiento externo.

Los aisladores hechos de materiales orgánicos a menudo se denominan aisladores poliméricos (ya que los materiales orgánicos son polímeros), aisladores no cerámicos, aisladores compuestos (ya que el aislamiento externo es sintético) o incluso aisladores plásticos en el extranjero.

En China, anteriormente se les conocía como aisladores compuestos o aisladores de caucho de silicona. Ahora se denominan uniformemente aisladores compuestos orgánicos (ya que los materiales orgánicos son compuestos, y estos aisladores generalmente se hacen de un compuesto de caucho de silicona y un bastón de resina epoxi y fibra de vidrio), comúnmente abreviado como aisladores compuestos.

Por lo tanto, un pararrayos de óxido de zinc con carcasa compuesta utiliza un material orgánico, específicamente caucho de silicona, como aislamiento externo para un pararrayos de óxido de zinc.