Introducción
Los pararrayos se emplean para proteger equipos de alta tensión en subestaciones, como transformadores, interruptores y pasatapas, contra los efectos de los rayos y sobretensiones de maniobra. Los pararrayos se conectan cerca y en paralelo con el equipo a proteger. Su función es desviar de manera segura la energía de la sobretensión a tierra y asegurar que la tensión resultante en los terminales se mantenga lo suficientemente baja para no dañar el aislamiento de los dispositivos asociados por los efectos de las sobretensiones.
Pararrayos Protegiendo Transformadores de Potencia Pasatapas
Casi todos los pararrayos utilizados en los sistemas de energía de alta tensión modernos son del tipo varistor de óxido metálico (MO) sin brecha; este artículo se centra en este tipo.
Coordinación de Aislamiento y Pararrayos
La coordinación de aislamiento se define como la selección de la resistencia dieléctrica del equipo en relación con los diferentes tipos de sobretensiones que pueden aparecer en el sistema. Los pararrayos proporcionan una ayuda indispensable para la coordinación de aislamiento económica en los sistemas eléctricos de potencia. Esto se ilustra en la figura a continuación, donde en ausencia de dispositivos de protección contra sobretensiones, el equipo no puede soportar las altas tensiones dieléctricas resultantes de los rayos y las sobretensiones de maniobra. Es en este rango donde los pararrayos desempeñan su papel en el sistema, manteniendo la tensión a un nivel que está por debajo de la tensión de resistencia (la tensión más alta que se puede aplicar a un elemento sin que sufra daños) del equipo, con un margen de seguridad adecuado. En el otro extremo del espectro, los pararrayos no pueden limitar las sobretensiones temporales (TOV) de frecuencia de potencia oscilatoria y, por lo tanto, deben estar diseñados para soportar tales sobretensiones temporales, junto con la tensión máxima de operación del sistema, sin sufrir daños.
Rol de los Pararrayos en la Coordinación de Aislamiento del Sistema de Potencia
Como punto de interés, cabe señalar que las TOV en un sistema de potencia se limitan mediante compensación reactiva conmutada (como por un reactor en derivación), o, mediante la aplicación de dispositivos de transmisión de corriente alterna flexible (FACT) (como SVC y STATCOM).
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Construcción y Componentes Principales
En el núcleo de la unidad de pararrayos se encuentra la columna de varistores MO, que constituye su parte activa. La columna está compuesta por bloques de varistores MO apilados uno sobre otro. Estos bloques están hechos de óxido de zinc (ZnO) y otros polvos metálicos mezclados y luego prensados en discos cilíndricos. El diámetro de cada disco determina la capacidad de manejo de energía del pararrayos. Un diámetro de 100 mm (3.9 pulgadas) o más suele ser necesario para sistemas de alta tensión.
La capacidad de resistencia requerida a las TOV (gobernada por la tensión nominal del pararrayos), junto con los niveles de protección deseados para impulsos de maniobra y rayos, controlan la altura total de la columna de varistores MO. Sin embargo, en la mayoría de los casos, la carcasa de porcelana del pararrayos está diseñada para ser considerablemente más larga por razones dieléctricas (requisitos de distancia de seguridad y distancia de fuga) y no está controlada por la altura de la parte activa. Como resultado, la columna de varistores MO se instala en la carcasa de la unidad de pararrayos con la ayuda de espaciadores metálicos. Los espaciadores consisten en tubos de aluminio con tapas en los extremos para distribuir uniformemente la presión de contacto.
Varios barras de soporte y placas de sujeción fabricadas con material de plástico reforzado con fibra de vidrio (FRP) rodean la columna de varistores MO en forma de jaula; la jaula asegura mecánicamente la parte activa interna. En el extremo superior del pararrayos, un resorte de compresión proporciona la presión axial necesaria para presionar el conjunto de varistores MO. Bridas están cementadas en ambos extremos de la carcasa de porcelana del pararrayos; las bridas generalmente están fabricadas de aluminio y encierran el arreglo de sellado.
En sistemas de alta tensión, en lugar de conectar directamente a tierra los pararrayos, se conectan dispositivos de monitoreo en serie con el pararrayos. En tales casos, la brida inferior del pararrayos se instala con pies aislantes y se realiza una conexión de puesta a tierra (conexión a tierra) a través del dispositivo de monitoreo.
Vista en Sección Transversal de un Pararrayos MO con Carcasa de Porcelana
El sistema de sellado es uno de los componentes más críticos de un pararrayos. En primer lugar, debe prevenir la entrada de humedad y contaminación en la carcasa del pararrayos. En segundo lugar, debe actuar como un dispositivo de alivio de presión (PRD) de operación rápida en caso de una sobrecarga del pararrayos, lo que puede resultar en una acumulación rápida de presión dentro de la carcasa del pararrayos. Por último, debe proporcionar un punto de contacto bien establecido para la transferencia de corriente desde el terminal de conexión externa del pararrayos a la columna de varistores MO.
El sistema de sellado de un pararrayos consiste en un anillo de sellado sintético y un diafragma de alivio de presión, ambos instalados dos veces en cada extremo del cuerpo del pararrayos. El diafragma muy delgado (solo unas pocas décimas de milímetro de grosor, o milésimas de pulgada) está hecho de níquel o acero de alta calidad. El diafragma se presiona contra el anillo de sellado mediante un anillo de sujeción atornillado al cuerpo de la brida.
En caso de una sobrecarga del pararrayos, se desarrolla un arco entre las dos bridas dentro de la carcasa. La energía térmica de este arco (que lleva la corriente de cortocircuito completa de la red) resulta en una rápida acumulación de presión dentro del pararrayos. La presión resultante es aliviada por el diafragma de alivio, evitando así una falla catastrófica del pararrayos y posibles daños resultantes al área circundante. Los gases calientes que resultan dentro de la carcasa del pararrayos debido a la sobrecarga, se dirigen a través de cualquiera de las dos salidas de ventilación. Fuera del pararrayos, las corrientes de gas se encuentran, causando que el arco que estaba ardiendo dentro de la carcasa se desplace (conmute) y continúe ardiendo fuera del pararrayos hasta que se despeje la falla.
A voltajes más altos, debido a los requisitos de aislamiento y a la economía de fabricación, un pararrayos completo consiste en varias unidades de pararrayos conectadas en serie. Además, se instala un anillo de graduación en el terminal de alta tensión para controlar la distribución de la tensión desde el extremo de alta tensión hasta tierra.
Pararrayos de Alta Tensión de Múltiples Unidades
Monitoreo de Condición del Pararrayos
Los pararrayos MO modernos son dispositivos altamente confiables cuando se configuran correctamente. Se espera que tengan una vida útil casi libre de mantenimiento de 30 años o más. No obstante, considerando el alto costo del equipo que protegen los pararrayos, y los efectos perjudiciales de las sobrecargas del pararrayos, hay buenas razones para monitorear la salud de los pararrayos.
A la tensión de servicio normal, los pararrayos exhiben una alta impedancia de modo que actúan como un aislante durante la mayor parte de su vida útil de servicio. Tal comportamiento es necesario para garantizar una larga vida para el pararrayos, así como la estabilidad del sistema eléctrico asociado. Por lo tanto, es imperativo detectar cualquier deterioro de las propiedades aislantes de un pararrayos antes de que la situación se vuelva crítica. Dos tipos de dispositivos de monitoreo comúnmente empleados para pararrayos MO de alta tensión son:
- Contadores de sobretensiones que registran el número de impulsos de sobretensión.
- Monitores de corriente de fuga que miden la corriente de fuga que fluye a través del pararrayos.
El principio básico de usar contadores de sobretensiones es identificar si una determinada línea de transmisión o fase del sistema está experimentando un número extraordinariamente alto de sobretensiones que llevan a la operación del pararrayos. Además, un aumento abrupto en la tasa de conteo de sobretensiones también puede indicar una falla interna del pararrayos. Sin embargo, los contadores de sobretensiones por sí solos revelan solo información parcial de monitoreo de condición. La mayoría de los dispositivos de monitoreo de pararrayos registran el número (conteo) de impulsos de sobretensión, mientras que también miden cualquier corriente de fuga. La corriente de fuga proporciona información adicional sobre la magnitud de cualquier sobretensión y su relevancia en caso de que ocurra un evento de sobretensión del sistema. Usar contadores de sobretensiones y dispositivos de medición de corriente de fuga en conjunto permite un medio más flexible de monitoreo y diagnóstico de la condición del pararrayos.
Características de Operación
La característica voltaje-corriente (V-I) ilustra cómo varía la resistencia de un pararrayos con la tensión, proporcionando también información sobre su operación. Las características V-I altamente no lineales del varistor MO lo hacen un candidato adecuado para aplicaciones de protección contra sobretensiones. El varistor es básicamente un resistor variable cuya resistencia depende inversamente de la tensión aplicada, es decir, cuanto mayor es la tensión, menor es la resistencia. La imagen a continuación muestra características típicas de un pararrayos MO con tensión nominal de 420 kV aplicado dentro de un sistema con tensión nominal de 550 kV (fase a fase).
Características de Operación de un Pararrayos con Tensión Nominal de 420 kVrms
Para desarrollar una mejor comprensión de las características de operación de un pararrayos, se necesitan definiciones de algunos términos y parámetros importantes:
Tensión Máxima del Sistema (Us)
La tensión más alta fase a fase de frecuencia de potencia especificada para un sistema dado durante condiciones normales.
Tensión de Operación Continua (Uc)
La tensión máxima permisible de frecuencia de potencia que se puede aplicar a través de los terminales del pararrayos de manera continua o indefinida; esto también a veces se designa como MCOV. En la práctica, la tensión de operación continua (Uc) del pararrayos se establece para ser mayor que la tensión más alta fase a tierra del sistema con un margen de al menos cinco por ciento.
Tensión Nominal (Ur)
La tensión máxima de frecuencia de potencia que el pararrayos debe soportar durante un corto período especificado (por ejemplo, 10 o 100 segundos). Caracteriza la capacidad de un pararrayos para soportar TOV del sistema. Cuando un pararrayos se somete a tensiones iguales o superiores a su tensión nominal (Ur), fluirá corriente de fuga. La corriente de fuga se define como el flujo no intencionado de corriente a tierra. Esta situación no es deseada porque a medida que fluye la corriente de fuga, se producirá un aumento proporcional en la temperatura de operación del pararrayos. Si esta condición se permite que persista más allá del período corto especificado, la temperatura del pararrayos aumentará hasta que se vuelva térmicamente inestable, lo que puede llevar finalmente a la falla del pararrayos.
Nivel de Protección de Impulso de Maniobra (SIPL)
El valor pico de la tensión residual en los terminales del pararrayos a la descarga nominal de un impulso de corriente de maniobra con forma de onda de 30/60 µs y con una magnitud pico de 2 kA (en el caso de sistemas de extra alta tensión).
Nivel de Protección de Impulso de Rayo (LIPL)
El valor pico de la tensión residual en los terminales del pararrayos a la descarga nominal de un impulso de corriente de rayo con forma de onda de 8/20 µs y con una magnitud pico de 20 kA.
Selección y Configuración de Pararrayos
La filosofía general al seleccionar pararrayos para cualquier sistema en particular, implica igualar las características eléctricas y mecánicas del pararrayos con las demandas eléctricas y los requisitos mecánicos del sistema. El siguiente diagrama de flujo simplificado demuestra el método general y el procedimiento para configurar un pararrayos MO.
Diagrama de Flujo Simplificado para la Selección de Pararrayos
Los requisitos para una selección óptima y satisfactoria de pararrayos dictan que los pararrayos deben proporcionar un margen de protección adecuado y que también deben ser adecuados para una operación continua estable. Un 'margen de protección adecuado' significa que las sobretensiones del dispositivo están siempre por debajo de su tensión de resistencia, con un factor de seguridad suficiente (margen de seguridad). Mientras que, 'operación continua estable' se refiere a la capacidad del pararrayos para manejar todas las tensiones a largo plazo, temporales o transitorias (que pueden ser causadas por la operación del sistema), mientras permanece eléctricamente y térmicamente estable a lo largo de su vida útil de trabajo.
Desafortunadamente, tanto el margen de protección adecuado como la operación continua estable no pueden satisfacerse de manera independiente. Una reducción en el nivel de protección del pararrayos (para proporcionar un mayor margen de protección) inevitablemente resulta en mayores tensiones eléctricas durante la operación continua. Además, la tensión nominal del pararrayos no se puede aumentar arbitrariamente sin elevar su nivel de protección (lo que resulta en una disminución correspondiente en el margen de protección). Por lo tanto, es necesario un compromiso, donde ambos requisitos se equilibran para llegar a una solución óptima.