¿Por qué usar protectores contra sobretensiones? Funciones clave y beneficios
Función de los pararrayos
Cuando el sobretensión inducida por rayos viaja a lo largo de las líneas eléctricas aéreas hacia una subestación u otros edificios, puede causar descargas o incluso perforar el aislamiento del equipo eléctrico. Por lo tanto, si se conecta un dispositivo de protección, conocido como pararrayos, en paralelo en la entrada de energía del equipo (como se muestra en la Figura 1), se activará inmediatamente cuando la sobretensión alcance el nivel de operación preestablecido.
El pararrayos disipa la energía excesiva, limitando la sobretensión y protegiendo el aislamiento del equipo. Una vez que la tensión vuelve a la normalidad, el pararrayos se recupera rápidamente a su estado original, asegurando que el sistema pueda continuar con el suministro de energía normal.
La función protectora de un pararrayos se basa en tres requisitos previos:
Coordinación adecuada entre la característica volt-segundo del pararrayos y la del aislamiento protegido.
La tensión residual del pararrayos debe ser inferior a la resistencia al impulso del aislamiento protegido.
El aislamiento protegido debe estar dentro de la distancia de protección del pararrayos.
Requisitos para los pararrayos:
No debe descargar bajo condiciones normales de operación, pero debe hacerlo correctamente y de manera confiable durante eventos de sobretensión.
Debe tener capacidad de auto-recuperación después de la descarga (es decir, volver a su estado de alta impedancia y extinguir la corriente de seguimiento).
Parámetros clave de los pararrayos:
Tensión de operación continua: La tensión de operación a largo plazo permitida. Debe ser igual o mayor que la tensión máxima fase-tierra del sistema.
Tensión nominal (kV): La tensión de frecuencia de red máxima permitida a corto plazo (también conocida como tensión de extinción de arco). El pararrayos puede operar y extinguir el arco bajo esta tensión, pero no puede soportar una operación a largo plazo a este nivel. Es un parámetro fundamental para el diseño, características y estructura del pararrayos.
Característica de resistencia al voltaje de frecuencia de red: Indica la capacidad de un pararrayos de óxido metálico (por ejemplo, ZnO) para soportar sobretensiones bajo condiciones especificadas.
Corriente de descarga nominal (kA): El valor pico de la corriente de descarga utilizada para clasificar las calificaciones del pararrayos. Para sistemas de 220 kV y menos, no debe superar los 5 kA.
Tensión residual: La tensión que aparece en los terminales del pararrayos cuando está sometido a una corriente de impulso. También se puede entender como la tensión máxima que el pararrayos puede soportar durante un evento de descarga.
Tipos y Estructura de los Pararrayos
Los tipos comunes de pararrayos incluyen los de válvula, tubulares, brechas protectoras y de óxido metálico.
(1) Pararrayos de Válvula
Los pararrayos de válvula se dividen principalmente en dos categorías: convencionales y de soplado magnético. El tipo convencional incluye las series FS y FZ; el tipo de soplado magnético incluye las series FCD y FCZ.
Los símbolos en la designación del modelo significan:
F – Pararrayos de válvula;
S – Para sistemas de distribución;
Z – Para subestaciones;
Y – Para líneas de transmisión;
D – Para máquinas rotativas;
C – Con brecha de descarga de soplado magnético.
Un pararrayos de válvula consiste en espacios planos en serie con discos de resistencia de carburo de silicio (SiC) (bloques de válvula), sellados dentro de una carcasa de porcelana, con tornillos terminales externos para la instalación. La resistencia de carburo de silicio presenta características no lineales: tiene alta resistencia bajo tensión normal, que disminuye bruscamente durante la sobretensión.
Bajo la tensión de frecuencia de red normal, los espacios permanecen no conductores. Cuando ocurre una sobretensión por rayo, los espacios se rompen. La resistencia de los bloques de SiC disminuye significativamente, permitiendo que la corriente de rayo fluya seguramente a tierra. Después del impulso, los bloques de SiC presentan alta resistencia a la corriente de seguimiento de frecuencia de red, mientras que los espacios interrumpen esta corriente, restaurando la operación normal del sistema. Este comportamiento de encendido y apagado se asemeja a una "válvula"—abierta para la corriente de rayo y cerrada para la corriente de frecuencia de red—de ahí el nombre de "pararrayos de válvula".
(2) Brechas Protectoras y Pararrayos de Expulsión (Tubulares)
Las brechas protectoras son la forma más simple de protección contra rayos. Generalmente hechas de acero redondo galvanizado, consisten en una brecha principal y una auxiliar. La brecha principal tiene una configuración angular y se monta horizontalmente para facilitar la extinción del arco. Una brecha auxiliar se conecta en serie debajo de la brecha principal para prevenir disparos falsos causados por objetos extraños que cortocircuitan la brecha. Debido a su débil capacidad de extinción de arcos, las brechas protectoras generalmente se usan en conjunto con dispositivos de recierre automático para mejorar la confiabilidad del suministro de energía.
El pararrayos de expulsión (tubular) consiste en una brecha alojada dentro de un tubo generador de gas, formado por electrodos de varilla y anillo. Incluye ambas brechas interna y externa. El tubo del pararrayos está hecho de materiales como resina fenólica reforzada con fibra que producen grandes volúmenes de gas cuando se calientan. Cuando ocurre una sobretensión por rayo, ambas brechas interna y externa se rompen, desviando la corriente de rayo a tierra. La corriente de seguimiento de frecuencia de red posterior crea un arco fuerte, que quema la pared del tubo y genera gas de alta presión expulsado a través del extremo abierto, extinguiendo rápidamente el arco. La brecha externa luego restaura su aislamiento, aislando el pararrayos del sistema y permitiendo que la operación normal se reanude.
Dado que los pararrayos de expulsión dependen de la corriente de frecuencia de red para generar gas para la extinción del arco, corrientes de cortocircuito excesivas pueden producir demasiado gas, superando la resistencia mecánica del tubo y causando rupturas o explosiones. Por lo tanto, los pararrayos de expulsión generalmente se usan en instalaciones exteriores.
(3) Pararrayos de Óxido Metálico (Zinc Oxide) sin Brecha
También conocidos como pararrayos varistor, estos son un tipo moderno introducido en la década de 1970. En comparación con los pararrayos de válvula de carburo de silicio tradicionales, los pararrayos de óxido metálico sin brecha no tienen espacios y usan óxido de zinc (ZnO) en lugar de carburo de silicio. Están construidos a partir de discos de varistor de ZnO apilados con excelentes características no lineales de tensión-corriente: bajo la tensión de frecuencia de red normal, presentan una resistencia muy alta, suprimiendo eficazmente la corriente de fuga; bajo la sobretensión por rayo, su resistencia disminuye bruscamente, permitiendo una descarga eficiente de la corriente de impulso.
Los pararrayos de óxido metálico ofrecen características de protección superiores, alta capacidad de descarga, baja tensión residual, tamaño compacto y fácil instalación. Ahora se usan ampliamente para la protección de equipos eléctricos de alta y baja tensión.
(4) Pararrayos de Óxido Metálico (Zinc Oxide) con Brecha
Estos consisten en discos de resistencia de ZnO conectados en serie con una brecha dentro de una carcasa compuesta. La unidad de brecha generalmente contiene dos electrodos en forma de disco encerrados en un anillo de cerámica. Son adecuados para sistemas de neutro no efectivamente aterrizado. Durante fallas monofásicas a tierra o aterrizaje por arco, pueden ocurrir sobretensiones transitorias severas de larga duración, que los pararrayos de ZnO sin brecha pueden no soportar. Los pararrayos de ZnO con brecha superan esta limitación: bajo sobretensiones moderadas como aterrizaje monofásico o aterrizaje por arco de bajo nivel, la brecha en serie permanece inactiva, aislando el pararrayos del sistema.
Cuando la sobretensión supera un umbral, la brecha se dispara, y las excelentes características no lineales de los bloques de ZnO limitan la tensión residual a través del pararrayos. La corriente de seguimiento resultante es muy pequeña y se interrumpe fácilmente, proporcionando una protección de aislamiento confiable para transformadores y otro equipo.
Pruebas e Ítems de Normas para Pararrayos
(1) Medición de Resistencia de Aislamiento
Use un megómetro de 2500 V o superior. Para pararrayos de 35 kV y superiores, la resistencia de aislamiento debe ser no inferior a 2500 MΩ; para aquellos por debajo de 35 kV, no inferior a 1000 MΩ.
(2) Medición de Tensión DC a 1 mA y Corriente de Fuga al 75% de Esta Tensión
Aplicar una tensión DC al pararrayos. A medida que aumenta la tensión, la corriente de fuga aumenta gradualmente. Registre el valor de tensión cuando la corriente alcance 1 mA. Luego reduzca la tensión al 75% de este valor y registre la corriente de fuga, que no debe superar los 50 μA.
(3) Corriente de Fuga AC bajo Tensión de Operación
Medir la corriente total, la corriente resistiva o la pérdida de potencia bajo tensión de operación. Los valores medidos no deben mostrar cambios significativos en comparación con los valores iniciales. Si la corriente resistiva se duplica, el pararrayos debe desenergizarse para inspección.
Si la corriente resistiva aumenta al 150% del valor inicial, el ciclo de monitoreo debe acortarse adecuadamente.
Estas pruebas pueden detectar defectos como la infiltración de humedad o el envejecimiento de los bloques de válvula del pararrayos, grietas superficiales y deterioro del aislamiento.
