Si trabaja cerca de sistemas eléctricos el tiempo suficiente, comenzará a desarrollar un sano respeto por los rayos. No es el tipo de respeto romántico que siente la gente cuando ve pasar una tormenta sobre las montañas. Del tipo práctico, del tipo que te hace comprobar-las conexiones a tierra antes de realizar un trabajo y preguntarle al ingeniero del sitio si la línea de distribución corre aérea o subterránea.
Los pararrayos son uno de esos dispositivos en los que la mayoría de las personas ajenas a la industria eléctrica nunca han pensado, a pesar de que protegen silenciosamente casi todos los edificios, subestaciones y torres de comunicación del mundo. Este artículo desglosa qué son, cómo funcionan, qué tipos existen y por qué la elección del descargador es más importante de lo que muchos compradores creen.
Pararrayos
Lo que realmente hace un pararrayos
En esencia, un pararrayos es un dispositivo limitador de voltaje-. Se encuentra conectado entre un conductor eléctrico y tierra, y no hace absolutamente nada en condiciones normales de funcionamiento. En el momento en que llega una sobretensión, ya sea por la caída directa de un rayo en una línea eléctrica o por el pico de voltaje que ocurre cuando un transformador grande se apaga, el pararrayos se activa, crea un camino temporal de baja-resistencia a tierra y canaliza la energía de la sobretensión lejos de todo lo que está aguas abajo. Una vez que la sobretensión ha pasado y el voltaje de la línea vuelve a la normalidad, el descargador vuelve a su estado inactivo.
Esa última parte es digna de mención. A diferencia de un fusible, que se sacrifica para proteger un circuito, un descargador con la clasificación adecuada está diseñado para soportar sobretensiones repetidas sin quemarse. Se reinicia automáticamente y, en la mayoría de los casos, el equipo que protege ni siquiera registra que sucedió algo.
La comparación que encuentro más útil es la del desagüe de un fregadero. El agua fluye a un ritmo normal y el desagüe se mantiene sin ningún esfuerzo. Pero cuando alguien vierte un balde lleno de una vez, el desagüe soporta el aumento repentino y el fregadero no se desborda. El pararrayos es el desagüe. El transformador, el cuadro y los componentes electrónicos sensibles del interior del edificio son el fregadero.
Donde el nombre se vuelve confuso
Una de las primeras cosas con las que se topa la gente cuando empieza a investigar este tema es un montón de terminología superpuesta. Pararrayos, pararrayos, protector contra sobretensiones, desviador de sobretensiones, aislador de rayos. Estos términos a veces se usan indistintamente y, a veces, significan cosas realmente diferentes según quién esté hablando y en qué contexto.
He aquí una forma práctica de pensar en las distinciones:
Un pararrayos (técnicamente llamado terminal aéreo) es un dispositivo externo montado en la parte superior de una estructura. Su trabajo es interceptar un impacto directo y darle a la corriente un camino controlado hacia el suelo a través de un conductor de bajada. Protege la estructura del edificio contra incendios o daños físicos. No hace nada por el equipo eléctrico del interior.
Un pararrayos en el sentido tradicional se refiere a dispositivos instalados en torres de transmisión y líneas de distribución exteriores. Estos interceptan la sobretensión que viaja a lo largo de la línea y la desvían antes de que llegue a una subestación o edificio. En muchos diseños, el descargador no hace contacto directo con el conductor de línea. Se encuentra en paralelo y solo se activa cuando el voltaje supera un umbral establecido.
Un descargador de sobretensiones o un protector contra sobretensiones se instala dentro de un edificio, generalmente en el panel eléctrico principal. Maneja los transitorios de sobretensión que ya han atravesado las capas de protección exterior.
La protección completa requiere los tres. Un pararrayos sin pararrayos en la línea entrante aún deja el sistema eléctrico expuesto a las sobretensiones transmitidas por los conductores. Un descargador en la línea sin un protector contra sobretensiones a nivel de panel-deja la última milla desprotegida. Saltarse el pararrayos por completo significa que un impacto directo en el edificio puede abrumar todo lo demás. Cada capa maneja una amenaza diferente y están destinadas a trabajar juntas.
Cómo funciona el dispositivo por dentro
La mayoría de los pararrayos modernos están construidos alrededor de varistores de óxido metálico, comúnmente llamados MOV. El material activo es óxido de zinc, comprimido en discos y apilado dentro de la carcasa del descargador. El óxido de zinc tiene una propiedad útil: su resistencia eléctrica cambia dramáticamente dependiendo del voltaje que se le aplica.
A tensión de línea normal, el óxido de zinc presenta una resistencia extremadamente alta. Casi no fluye corriente a través de él y el pararrayos es efectivamente invisible para el circuito. Cuando una sobretensión empuja el voltaje por encima del nivel de protección del pararrayos, la resistencia del óxido de zinc cae varios órdenes de magnitud en microsegundos. La corriente fluye a través del pararrayos y llega al suelo, sin pasar por el equipo protegido. Cuando termina la sobretensión y el voltaje vuelve a la normalidad, la resistencia vuelve a subir y el pararrayos vuelve a silenciarse.
Los diseños anteriores utilizaban explosores y discos de carburo de silicio en lugar de óxido de zinc, y todavía los encontrará en instalaciones más antiguas. El pararrayos de separación de varillas, por ejemplo, consiste simplemente en dos varillas de metal colocadas muy juntas con un pequeño espacio de aire entre ellas. Cuando el voltaje aumenta lo suficiente, el aire se ioniza y una chispa salta por el espacio, proporcionando una ruta de descarga. Sencillo y robusto, pero impreciso, y el arco no se apaga limpiamente, lo que puede provocar problemas posteriores en el sistema. Los pararrayos tipo válvula- agregaron bloques de carburo de silicio para ayudar a limitar la corriente de seguimiento después de una sobretensión, mejorando el diseño de la separación de las varillas sin llegar a lo que la tecnología MOV eventualmente ofrecería.
La siguiente tabla ofrece una comparación rápida de los principales tipos de descargadores que probablemente encontrará:
| Tipo | Principio de funcionamiento | Rango de voltaje | Uso típico |
|---|---|---|---|
| Espacio entre varillas | Ionización del aire a través de un espacio fijo. | Bajo a medio | Protección de transmisión básica, sistemas más antiguos. |
| Brecha del cuerno | El arco se extingue a medida que la brecha se amplía | Medio | Distribución rural, subestaciones heredadas. |
| Tipo de válvula (SiC) | Los límites del carburo de silicio siguen la corriente después de los incendios de brechas | Medio a alto | Protección de red heredada |
| Óxido metálico (MOV) | Varistor de ZnO, sin vía de chispas, con reinicio automático- | De bajo a extra-alto | Subestaciones modernas, líneas de distribución, tableros. |
| Pararrayos de polímero | Núcleo MOV con carcasa de caucho de silicona. | Distribución a alta tensión | Líneas exteriores, entornos costeros e industriales. |
| Clase de estación | MOV de alta-capacidad, máxima absorción de energía | De muy alta a ultra{0}}alta | Grandes subestaciones, protección de generadores. |
Por qué el material de la vivienda no es un detalle menor
Durante la mayor parte del siglo XX, las carcasas de los pararrayos se fabricaban de porcelana o vidrio templado. Ambos materiales funcionan adecuadamente en entornos limpios y estables. Pero adecuado no es lo mismo que ideal, y la experiencia de campo durante décadas dejó claras las limitaciones.
La porcelana es pesada. En una torre de transmisión que atraviesa terrenos difíciles, el peso de los pararrayos de porcelana se acumula. Más importante aún, la porcelana se rompe violentamente cuando un dispositivo falla en condiciones extremas de sobretensión. Una carcasa de porcelana que explota en la estructura de una subestación activa crea un peligro grave para cualquiera que trabaje cerca y puede provocar fallas secundarias en el equipo que la rodea.
El vidrio tiene problemas similares. Ambos materiales también acumulan contaminación con el tiempo, especialmente en las regiones costeras donde la niebla salina se deposita en la superficie, o cerca de sitios industriales donde los contaminantes químicos son comunes. Una superficie de porcelana o vidrio sucia puede desarrollar suficiente conductividad como para provocar una descarga eléctrica durante el clima húmedo, lo que anula el propósito de tener un pararrayos en primer lugar.
El cambio a carcasas de polímeros, específicamente compuestos de caucho de silicona, abordó la mayoría de estos problemas de manera práctica. APararrayos de polímeronormalmente pesa entre un 80 y un 90 por ciento menos que una unidad de porcelana del mismo voltaje. La superficie de caucho de silicona es naturalmente hidrófoba, lo que significa que el agua se filtra en lugar de extenderse formando una fina película conductora. Esta propiedad hidrofóbica se recupera incluso después de que la superficie ha sido contaminada y limpiada, lo cual es una característica que los materiales cerámicos simplemente no tienen.
Cuando falla un pararrayos de polímero, falla de forma controlada. La carcasa se agrieta o se ventila en lugar de explotar. Esto es muy importante en términos de seguridad del personal y de prevención de daños en cascada a los equipos cercanos.
Nada de esto significa que los descargadores de porcelana sean obsoletos. Todavía funcionan de manera confiable en muchas instalaciones existentes y hay aplicaciones en las que sus propiedades térmicas ofrecen ventajas. Pero para las nuevas construcciones, especialmente en líneas de distribución al aire libre en entornos desafiantes, es difícil argumentar en contra del argumento de ingeniería a favor de las carcasas de polímero.
Pararrayos de polímero VICTORIA
Instalación y puesta a tierra
Un pararrayos que no está adecuadamente conectado a tierra en realidad no protege nada. El dispositivo puede desviar la sobretensión al terminal de tierra todo lo que quiera, pero si el electrodo de tierra tiene una alta resistencia o el conductor que conecta el descargador a tierra es demasiado largo, la sobretensión no se disipará lo suficientemente rápido y aún aparecerá voltaje dañino en el equipo protegido.
El conductor de puesta a tierra debe ser lo más corto y directo posible. Cada metro adicional de conductor agrega inductancia, lo que se traduce en voltaje adicional en condiciones de sobretensión. El electrodo de tierra en sí, ya sea una varilla impulsada, una placa enterrada o un electrodo-revestido de concreto en los cimientos del edificio, debe alcanzar una resistencia lo suficientemente baja para cumplir con los requisitos de protección del sistema. En la mayoría de las aplicaciones de distribución, esto significa una resistencia a tierra de 10 ohmios o menos, y en instalaciones electrónicas sensibles el objetivo suele ser inferior a 1 ohmio.
En las subestaciones, se instalan descargadores en cada terminal del transformador y en cada línea de entrada y salida. Este posicionamiento garantiza que las sobretensiones que viajan a lo largo de cualquier línea sean interceptadas antes de que puedan llegar a los devanados del transformador, que se encuentran entre los componentes más caros y menos reemplazables de una subestación. En edificios residenciales y comerciales ligeros, el enfoque estándar es un -dispositivo de descarga de edificio completo en el panel de entrada de servicio, a veces complementado con dispositivos de punto-de-uso en equipos sensibles como servidores o instrumentos médicos.
Seleccionar el pararrayos adecuado
Escoger un descargador de un estante basándose únicamente en la clasificación de voltaje es un error común. Varios parámetros deben coincidir con la aplicación.
El voltaje de operación continua (COV) debe ser al menos igual al voltaje continuo máximo que verá el descargador durante el funcionamiento normal del sistema, incluido cualquier aumento de voltaje que ocurra durante condiciones de falla. Un tamaño insuficiente del COV conduce a una fuga térmica, donde el pararrayos se calienta bajo voltaje normal y finalmente falla.
La clasificación energética determina cuánta energía de sobretensión puede absorber el descargador sin sufrir daños. Un dispositivo que se enfrenta a golpes de energía frecuentes o de alta-energía, como un pararrayos en una línea de transmisión expuesta en la cima de una colina, necesita una clase de energía más alta que uno que proteja un panel interior en un entorno de baja-exposición.
El nivel de protección, expresado como el voltaje residual a una corriente de descarga nominal, determina cuánto voltaje verá realmente el equipo protegido durante una sobretensión. Un voltaje residual más bajo significa una mejor protección para los equipos sensibles, pero también suele significar un precio más alto. El nivel de protección debe compararse con la clasificación de resistencia al impulso de lo que esté aguas abajo.
La línea de productos Polymer Lightning Arrester aborda muchos de estos requisitos de selección en un amplio rango de voltaje, y para aplicaciones de distribución en exteriores, la combinación de tecnología MOV y carcasa de caucho de silicona cubre la mayor parte de lo que los operadores de red modernos buscan en términos de rendimiento, peso y confiabilidad a largo plazo-en entornos difíciles.
Una nota sobre los estándares
Los descargadores destinados a aplicaciones industriales y de servicios públicos se prueban según IEC 60099 o IEEE C62, según el mercado. Estos estándares cubren todo, desde pruebas de funcionamiento que simulan repetidos rayos hasta pruebas de contaminación que exponen la carcasa a niebla salina y contaminantes industriales durante períodos prolongados. La compra de pararrayos que cuenten con certificación según estos estándares no es opcional en la mayoría de las aplicaciones profesionales. Es la única manera de tener confianza en que el dispositivo realmente se comportará como se afirma cuando llegue una sobretensión real.
Comprar pararrayos no certificados para ahorrar dinero en un esquema de protección de subestaciones es una falsa economía. El costo de un transformador o conjunto de aparamenta defectuoso eclipsará muchas veces el costo de los descargadores.
Pensamiento final
La protección contra rayos es uno de esos campos donde la ingeniería se comprende bien y las herramientas para realizar el trabajo correctamente existen y están ampliamente disponibles. La mayoría de los fallos en la protección contra rayos no se deben a que la tecnología sea inadecuada, sino a que se tomen atajos durante el diseño o la instalación, a que se especifiquen productos incorrectos para el medio ambiente o a que se descuide el sistema de puesta a tierra porque es invisible y poco atractivo.
Un pararrayos instalado correctamente, en el lugar correcto, con las clasificaciones adecuadas y conectado a una tierra sólida protegerá la infraestructura eléctrica durante décadas prácticamente sin mantenimiento. Se trata de un retorno razonable de una inversión modesta, razón por la cual probablemente el dispositivo ha sido una parte estándar del diseño de sistemas de energía desde los primeros días de la distribución eléctrica.