PROTECCIÓN CONTRA SOBRETENSIONES EN LÍNEAS DE ALTA TENSIÓN.
Son de sobras conocidas las tormentas con fuerte aparato eléctrico, estas producen sobretensiones en las redes aéreas de alta tensión que si no son despejadas adecuadamente pueden destruir instalaciones, desconexiones que dejan sin energía a industrias y viviendas, incendios y en el peor de los casos pérdidas humanas. En estas líneas no solamente afectan las sobretensiones por tormentas también afectan sobretensiones producidas por maniobras dentro de la misma instalación, magnetización de nucleos de transformadores, etc.
Por tanto, y para evitar las nefastas consecuencias de las sobretensiones se utilizan parararrayos para poder mantener las instalaciones en condiciones adecuadas de servicio y seguridad, además de mantener los valores de tensión dentro de los límites que fijan los reglamentos.
Dentro de la coordinación de aislamiento de una línea eléctrica de alta tensión se utilizan diversos métodos para protegerlas de las sobretensiones como por ejemplo el hilo de guarda, pero en esta entrada tan solo trataremos de forma general los pararrayos denominados "de cuernos" y los pararrayos autovalvulares.
En esta torre de AT se pueden apreciar dos líneas trifásicas (una a cada lado) y arriba del todo un cable: es el hilo de guarda que se utiliza para proteger las líneas contra las descargas atmosféricas, dicho hilo de guarda y la torre metálica están conectadas rígidamente a tierra.
En términos generales denominamos sobretensión a todo incremento de la tensión nominal capaz de poner en peligro la aparamenta eléctrica o los receptores conectados a la red de suministro, atendiendo al origen podemos dividir las sobretensiones en dos tipos:
Sobretensiones externas: son aquellas provocadas por fenómenos atmosféricos, ya sea por el impacto directo de un rayo en una línea o por la descarga de un rayo en la proximidad de la línea, se les denomina onda de impulso tipo rayo.
Sobretensiones internas: onda a frecuencia industrial (en Europa 50 Hz en América 60 Hz), debidas normalmente a variaciones bruscas de la carga, corrientes inductivas, conexiones y desconexiones de líneas en vacío, magnetización de núcleos de tranformadores, maniobras realizadas incorrectamente, etc.
En alta tensión (AT) y media tensión (MT) los elementos que se utilizan para poder reducir los efectos de las sobretensiones transitorias de gran amplitud son los explosores (pararrayos de cuernos) y los pararrayos autovalvulares.
¿Dónde se instalan? En el punto de la instalación donde la probabilidad de sufrir una sobretensión es mayor, así como en las entradas de los centros de transformación(CT) intemperie, estos dispositivos se presentan como la parte más débil en el aislamiento de la instalación con el objetivo que se produzca un arco o descarga de la sobretensión en el explosor o pararrayos valvular antes que en otras partes de la instalación.
Como hemos comentado los explosores se instalan en:
- líneas aéreas de AT.
- líneas aéreas (catenarias) de tracción eléctrica, trenes, tranvías, troles, etc.
Los pararrayos autovalvulares se instalan en:
En la entrada de los CT de intemperie para proteger al transformador de sobretensiones.
En entradas y salidas de subestaciones.
Protegiendo transformadores en subestaciones.
Paso de una línea aérea a subterránea.
Líneas aéreas de tracción para tranvias, trenes, etc.
En ciertas instalaciones de tracción las autoválvulas también se utilizan en estructuras metálicas que por sus proximidades pasan líneas aéreas de tracción eléctrica (llamadas catenarias), se instalan para que en caso de que exista una derivación de la línea eléctrica de tracción a la estructura metálica se produzcan tensiones peligrosas para la instalación y las personas. Dicha autoválvula se conecta entre la estructura metálica y tierra, en caso de defecto unirá ambas poniéndolas al mismo potencial. Un ejemplo clásico de este tipo son los puentes metálicos que cruza las vías que por debajo pasan catenarias.
Explosores o pararrayos de "cuernos"
El explosor sería el sistema de protección más sencillo y económico que existe, consiste en dos varillas (también conocidas como electrodos) de las cuales una se conecta a la catenaria o conductor a proteger de las sobretensiones y la otra varilla se conecta a tierra. Otros tipos de explosores llevan una varilla central, llamada varilla antipájaros, justo en medio como protección de la avifauna ya que si se quedase un ave entre las dos varillas no solamente crearía un cortotcircuito electrocutando al ave sino que además si se quedase la misma enganchada tendríamos con cortocircuito permanente que nos haría disparar la protección pertinente de esa línea o catenaria.
Las dos varillas están dispuestas de tal forma que al aparecer el arco como consecuencia de la evacuación de una sobretensión alargan el arco consiguiendo que se reestablezcan rápidamente las condiciones de rigidez dieléctrica, aun siendo así de sencillo los explosores tienen una serie de inconvenientes, entre ellos que deja pasar ciertas sobretensiones, en redes de AT se han ido sustituyendo por los pararrayos autovalvulares. Las catenarias de RENFE emplean explosores.
Explosor típico. Foto sacada del Cuardeno Técnico 151 de Schneider Electric.
Explosores de la catenarias de Renfe (Red española nacional de ferrocarriles) a Sant Adrià de Besòs.
Pararrayos autoválvulares.
Existen diferentes tipos pero los más utilizados en AT y MT son:
De óxido de zinc (ZnO).
Varistancias y explosores.
Los de varistancias y explosores constan de varios explosores en serie y unas resistencias ( de carbono de silicio, SiC) no lineales que limitan la corriente tras el paso de la onda de choque de la sobretensión.
Según el país del que se trate se les denomina de una u otra forma, en España son conocidos por pararrayos PE, las características a tener en cuenta para definir un pararrayos PE son:
Tensión de extinción o tensión asignada: Voltaje más elevado a la frecuencia industrial que el pararrayos puede descebar expontáneamente o por si mismo.
Tensión de cebado: Irá en relación dependiendo si se refiere a sobretensiones por rayo, a frecuencia industrial, etc.
Poder de descarga: de la corriente de choque. Es la capacidad de disipación de energía.
Los de óxidos de zinc (ZnO) se les denomina también pararrayos de óxidos metálicos (POM), este tipo no presenta explosores por tanto la autoválvula es conductora de forma permanente para el voltaje nominal de la red que protege, si bien que la corriente es de 10 mA que como es obvio no proporciona problema alguno, es decir, este tipo de autoválvulas solamente está formada por varistancias, además, son más fiables que los anteriores.
Partes de un tipo pararrayos de ZnO utilizado por las compañías francesas de electricidad en redes de 20 Kv. Imagen sacada del Cuaderno Técnico 151 de Schneider Electric.
Las características esenciales de este tipo de autoválvula son:
Tensión máxima de servicio permanente.
Tensión asignada.
Nivel de protección.
Corriente nominal de descarga.
Capacidad de soportar la energía disipada.
Aplicaciones más usuales de las autoválvulas.
Seguidamente mostramos unas fotos de las aplicaciones más frecuentes de este tipo de autoválvulas, existen autoválvulas que con una descarga se tienen que cambiar, existen modelos que se debe tomar la resistencia eléctrica sin servicio y si está por debajo de unos valores prefijados se deberá cambiar y por último existen fabricantes que dan un número de descargas que puede efectuar la autoválvula, en redes de MT suelen ser 500 descargas, y como no puede ser de otra forma nos preguntaremos, ¿cómo sabremos que ha realizado el número de descargas? Muy sencillo se recomienda instalar un contador de descargas para saberlo, como he comentado muchas veces lo mejor es la consulta al fabricante para poder realizar una instalación y mantenimiento adecuado.
Autotransformador en subestación, a la izquierda se pueden ver las autoválvulas que lo protegen contra sobretensiones.
Autoválvulas a la entrada de un CT tipo "caseta"a Pessonada.
En esta foto se puede apreciar el paso de línea aérea a suberránea con sus autoválvulas correspondientes.
Consejos para instalación de pararrayos autovalvulares en CT de MT.
Se deben instalar las autoválvulas lo más cerca del transformador, a menos de 10 metros si es posible, la mejor opción es colocarlos en las mismas bornas del transformador.
Se deberían instalar autoválvulas fase-tierra cuando el nivel isoceráunico sea mayor de 25 o en el caso que el CT sea alimentado por una línea aéreo-subterránea y la línea subterránea sea mayor de 20 metros.
Foto sacada del Cuardeno Técnico 151 de Schneider Electric.
Contador de descargas para saber la vida de las autoválvulas. Foto sacada de catálogo SIEMENS.
Por tanto, y para evitar las nefastas consecuencias de las sobretensiones se utilizan parararrayos para poder mantener las instalaciones en condiciones adecuadas de servicio y seguridad, además de mantener los valores de tensión dentro de los límites que fijan los reglamentos.
Dentro de la coordinación de aislamiento de una línea eléctrica de alta tensión se utilizan diversos métodos para protegerlas de las sobretensiones como por ejemplo el hilo de guarda, pero en esta entrada tan solo trataremos de forma general los pararrayos denominados "de cuernos" y los pararrayos autovalvulares.
En esta torre de AT se pueden apreciar dos líneas trifásicas (una a cada lado) y arriba del todo un cable: es el hilo de guarda que se utiliza para proteger las líneas contra las descargas atmosféricas, dicho hilo de guarda y la torre metálica están conectadas rígidamente a tierra.En términos generales denominamos sobretensión a todo incremento de la tensión nominal capaz de poner en peligro la aparamenta eléctrica o los receptores conectados a la red de suministro, atendiendo al origen podemos dividir las sobretensiones en dos tipos:
Sobretensiones externas: son aquellas provocadas por fenómenos atmosféricos, ya sea por el impacto directo de un rayo en una línea o por la descarga de un rayo en la proximidad de la línea, se les denomina onda de impulso tipo rayo.
Sobretensiones internas: onda a frecuencia industrial (en Europa 50 Hz en América 60 Hz), debidas normalmente a variaciones bruscas de la carga, corrientes inductivas, conexiones y desconexiones de líneas en vacío, magnetización de núcleos de tranformadores, maniobras realizadas incorrectamente, etc.
En alta tensión (AT) y media tensión (MT) los elementos que se utilizan para poder reducir los efectos de las sobretensiones transitorias de gran amplitud son los explosores (pararrayos de cuernos) y los pararrayos autovalvulares.
¿Dónde se instalan? En el punto de la instalación donde la probabilidad de sufrir una sobretensión es mayor, así como en las entradas de los centros de transformación(CT) intemperie, estos dispositivos se presentan como la parte más débil en el aislamiento de la instalación con el objetivo que se produzca un arco o descarga de la sobretensión en el explosor o pararrayos valvular antes que en otras partes de la instalación.
Como hemos comentado los explosores se instalan en:
- líneas aéreas de AT.
- líneas aéreas (catenarias) de tracción eléctrica, trenes, tranvías, troles, etc.
Los pararrayos autovalvulares se instalan en:
En la entrada de los CT de intemperie para proteger al transformador de sobretensiones.
En entradas y salidas de subestaciones.
Protegiendo transformadores en subestaciones.
Paso de una línea aérea a subterránea.
Líneas aéreas de tracción para tranvias, trenes, etc.
En ciertas instalaciones de tracción las autoválvulas también se utilizan en estructuras metálicas que por sus proximidades pasan líneas aéreas de tracción eléctrica (llamadas catenarias), se instalan para que en caso de que exista una derivación de la línea eléctrica de tracción a la estructura metálica se produzcan tensiones peligrosas para la instalación y las personas. Dicha autoválvula se conecta entre la estructura metálica y tierra, en caso de defecto unirá ambas poniéndolas al mismo potencial. Un ejemplo clásico de este tipo son los puentes metálicos que cruza las vías que por debajo pasan catenarias.
Explosores o pararrayos de "cuernos"
El explosor sería el sistema de protección más sencillo y económico que existe, consiste en dos varillas (también conocidas como electrodos) de las cuales una se conecta a la catenaria o conductor a proteger de las sobretensiones y la otra varilla se conecta a tierra. Otros tipos de explosores llevan una varilla central, llamada varilla antipájaros, justo en medio como protección de la avifauna ya que si se quedase un ave entre las dos varillas no solamente crearía un cortotcircuito electrocutando al ave sino que además si se quedase la misma enganchada tendríamos con cortocircuito permanente que nos haría disparar la protección pertinente de esa línea o catenaria.
Las dos varillas están dispuestas de tal forma que al aparecer el arco como consecuencia de la evacuación de una sobretensión alargan el arco consiguiendo que se reestablezcan rápidamente las condiciones de rigidez dieléctrica, aun siendo así de sencillo los explosores tienen una serie de inconvenientes, entre ellos que deja pasar ciertas sobretensiones, en redes de AT se han ido sustituyendo por los pararrayos autovalvulares. Las catenarias de RENFE emplean explosores.
Explosor típico. Foto sacada del Cuardeno Técnico 151 de Schneider Electric.
Explosores de la catenarias de Renfe (Red española nacional de ferrocarriles) a Sant Adrià de Besòs. Pararrayos autoválvulares.
Existen diferentes tipos pero los más utilizados en AT y MT son:
De óxido de zinc (ZnO).
Varistancias y explosores.
Los de varistancias y explosores constan de varios explosores en serie y unas resistencias ( de carbono de silicio, SiC) no lineales que limitan la corriente tras el paso de la onda de choque de la sobretensión.
Según el país del que se trate se les denomina de una u otra forma, en España son conocidos por pararrayos PE, las características a tener en cuenta para definir un pararrayos PE son:
Tensión de extinción o tensión asignada: Voltaje más elevado a la frecuencia industrial que el pararrayos puede descebar expontáneamente o por si mismo.
Tensión de cebado: Irá en relación dependiendo si se refiere a sobretensiones por rayo, a frecuencia industrial, etc.
Poder de descarga: de la corriente de choque. Es la capacidad de disipación de energía.
Los de óxidos de zinc (ZnO) se les denomina también pararrayos de óxidos metálicos (POM), este tipo no presenta explosores por tanto la autoválvula es conductora de forma permanente para el voltaje nominal de la red que protege, si bien que la corriente es de 10 mA que como es obvio no proporciona problema alguno, es decir, este tipo de autoválvulas solamente está formada por varistancias, además, son más fiables que los anteriores.
Partes de un tipo pararrayos de ZnO utilizado por las compañías francesas de electricidad en redes de 20 Kv. Imagen sacada del Cuaderno Técnico 151 de Schneider Electric.Las características esenciales de este tipo de autoválvula son:
Tensión máxima de servicio permanente.
Tensión asignada.
Nivel de protección.
Corriente nominal de descarga.
Capacidad de soportar la energía disipada.
Aplicaciones más usuales de las autoválvulas.
Seguidamente mostramos unas fotos de las aplicaciones más frecuentes de este tipo de autoválvulas, existen autoválvulas que con una descarga se tienen que cambiar, existen modelos que se debe tomar la resistencia eléctrica sin servicio y si está por debajo de unos valores prefijados se deberá cambiar y por último existen fabricantes que dan un número de descargas que puede efectuar la autoválvula, en redes de MT suelen ser 500 descargas, y como no puede ser de otra forma nos preguntaremos, ¿cómo sabremos que ha realizado el número de descargas? Muy sencillo se recomienda instalar un contador de descargas para saberlo, como he comentado muchas veces lo mejor es la consulta al fabricante para poder realizar una instalación y mantenimiento adecuado.
Autotransformador en subestación, a la izquierda se pueden ver las autoválvulas que lo protegen contra sobretensiones.
Autoválvulas a la entrada de un CT tipo "caseta"a Pessonada.
En esta foto se puede apreciar el paso de línea aérea a suberránea con sus autoválvulas correspondientes.
Consejos para instalación de pararrayos autovalvulares en CT de MT.
Se deben instalar las autoválvulas lo más cerca del transformador, a menos de 10 metros si es posible, la mejor opción es colocarlos en las mismas bornas del transformador.
Se deberían instalar autoválvulas fase-tierra cuando el nivel isoceráunico sea mayor de 25 o en el caso que el CT sea alimentado por una línea aéreo-subterránea y la línea subterránea sea mayor de 20 metros.
Foto sacada del Cuardeno Técnico 151 de Schneider Electric.
Contador de descargas para saber la vida de las autoválvulas. Foto sacada de catálogo SIEMENS. 
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