Un pararrayos es un dispositivo limitador de tensión instalado en un sistema de distribución para restringir la sobretensión transitoria máxima que llega a los equipos conectados. Cuando un rayo impacta sobre o cerca de una línea de distribución, o cuando una operación de conmutación descarga la energía inductiva almacenada, la sobretensión resultante se propaga a lo largo del conductor. Sin una vía de derivación, la tensión transitoria a través del aislamiento puede superar la capacidad de resistencia del equipo y causar daños dieléctricos inmediatos o acumulativos.
Un pararrayos aborda esta amenaza específica. Proporciona una vía de baja impedancia a tierra para la corriente de impulso, recuperando su capacidad aislante completa una vez que la tensión vuelve al rango normal de frecuencia eléctrica. Esta acción limita la exposición a sobretensiones del equipo protegido a un nivel que corresponde a la característica de protección del pararrayos.
Dos límites son igualmente importantes. Primero, un pararrayos no es el dispositivo de protección contra sobrecorriente que elimina una falla del sistema, y no puede reemplazar un interruptor automático ni un fusible de desconexión en el esquema de protección. Segundo, ningún pararrayos garantiza que el equipo protegido sobreviva a cada evento transitorio. El grado de protección depende de la coordinación entre las características del pararrayos y el nivel de aislamiento del dispositivo protegido, el recorrido del conductor entre el pararrayos y el terminal del equipo, la configuración de la puesta a tierra y la sobretensión incidente; todos estos factores específicos del proyecto se evalúan con base en datos aprobados.
FIG-01: Posición típica de un pararrayos en un circuito de distribución, mostrado junto al equipo de distribución protegido para minimizar la distancia de separación entre el terminal del pararrayos y el aislamiento del equipo.
Los pararrayos de distribución modernos se basan en columnas de discos de varistor de óxido metálico (MOV). El material del MOV, principalmente óxido de zinc con pequeñas adiciones de otros óxidos metálicos, presenta una relación tensión-corriente marcadamente no lineal. A la tensión normal de la red eléctrica, la columna presenta una impedancia muy alta y consume una corriente de fuga mínima. Cuando un transitorio eleva la tensión en los terminales por encima del nivel de referencia del pararrayos, la impedancia disminuye drásticamente y la columna conduce la corriente de impulso a la conexión a tierra. Cuando la tensión vuelve a la normalidad, el MOV se restablece automáticamente a su estado de alta impedancia sin necesidad de intervención mecánica.
La columna está alojada en una carcasa aislante de porcelana o polímero que proporciona la distancia de fuga externa necesaria y protege los elementos activos de la humedad. Las carcasas de polímero son cada vez más comunes en aplicaciones de distribución porque resisten el vandalismo, pesan menos y son menos propensas a romperse bajo tensión mecánica.
FIG-02: Sección transversal conceptual que muestra la columna MOV y la ruta de puesta a tierra desde el terminal de línea a través del elemento activo hasta el conductor de tierra; las etiquetas, dimensiones y clasificaciones específicas dependen de la hoja de datos del producto aprobada.
El rendimiento de un pararrayos depende en gran medida de la trayectoria de puesta a tierra. La corriente de impulso desviada a través de la columna MOV debe regresar a tierra a través del conductor de tierra, el electrodo de puesta a tierra y el suelo. Cualquier impedancia en esa trayectoria (inductancia del conductor, resistencia de conexión o contacto inadecuado del electrodo con el suelo) aumenta la tensión residual en el terminal del equipo. La selección del conductor de puesta a tierra, el diseño del electrodo y la verificación de la resistencia de tierra son requisitos específicos de cada proyecto que deben cumplir con las especificaciones del proyecto, el manual de instalación del fabricante y las normas de puesta a tierra nacionales o de la compañía eléctrica correspondientes. No se indica aquí un valor universal de resistencia de tierra, ya que el límite aceptable viene determinado por las características de protección del pararrayos y el nivel de aislamiento del equipo, factores que varían según la aplicación.
Un pararrayos desempeña un papel fundamental y complementario en el sistema de protección de la red eléctrica. La siguiente tabla resume sus diferencias con respecto a los demás dispositivos principales de un sistema coordinado.
| Inteligencia del | Amenaza principal abordada | Mecanismo de operación | Estado postoperatorio | ¿Conduce corriente de carga? |
|---|---|---|---|---|
| Descargador de sobretensiones | Sobretensión transitoria (rayos, conmutación) | Impedancia dependiente del voltaje (pinza MOV) | Restauración automática; sin reinicio manual. | No, fuga solo a voltaje normal. |
| Cortacircuitos | Sobrecorriente, cortocircuito, conmutación del sistema | separación por contacto mecánico | Requiere cierre manual o automático. | Sí: |
| Fusible de caída | Sobrecorriente, cortocircuito | El elemento fusible se funde, el tubo se cae | Requiere reemplazo manual | Sí: |
| Aislador / buje | Tensión dieléctrica a frecuencia industrial | Aislamiento pasivo | Permanente a menos que se dañe | No |
Un sistema de protección coordinado utiliza todos estos dispositivos en conjunto. Eliminar o sustituir cualquiera de ellos deja un vacío que los dispositivos restantes no están diseñados para llenar.
La separación física entre el terminal de tierra de un pararrayos y el aislamiento del equipo protegido influye directamente en la tensión que aparece en dicho aislamiento durante una sobretensión. Una longitud de cable más corta reduce la tensión inductiva que se suma durante el impulso de corriente de frente rápido. Por este motivo, los pararrayos se instalan normalmente lo más cerca posible del terminal protegido: en el buje primario del transformador, en la terminación del cable o en el punto de entrada de una línea aérea a una subestación de distribución.
FIG-03: Comparación de instalaciones de pararrayos montados en línea y en estación: la posición montada en estación minimiza la distancia a los terminales del equipo protegido, mientras que la posición montada en línea proporciona protección primaria a la línea y al equipo del extremo distante.
Los pararrayos de línea cumplen una función de coordinación distinta a la de los pararrayos de estación: reducen la sobretensión que llega a la subestación absorbiendo la energía cerca del punto de impacto del rayo antes de que se acumule a lo largo de la línea. Los ingenieros de proyecto seleccionan la combinación de pararrayos de línea y de estación basándose en un estudio de coordinación que considera la longitud de la línea, la geometría del tramo y los niveles de aislamiento de todos los equipos en la sección protegida. Este estudio queda fuera del alcance de una descripción general del producto y debe realizarse para cada proyecto.
Un pararrayos y un fusible o disyuntor en el mismo alimentador deben estar coordinados para que un evento de sobretensión no provoque la activación innecesaria del dispositivo de protección contra sobrecorriente. Dado que el pararrayos desvía la corriente de impulso a tierra, el dispositivo de protección contra sobrecorriente solo detecta la corriente residual de frecuencia industrial posterior a la sobretensión, si la hubiera. Un pararrayos con la capacidad adecuada suprimirá o limitará dicha corriente residual para que el dispositivo de protección contra sobrecorriente no se interrumpa. Los márgenes de coordinación se confirman mediante la tensión nominal del pararrayos, la tensión de funcionamiento continuo y la capacidad de absorción de energía en relación con el nivel de falla del sistema; todos estos valores provienen de la hoja de datos del producto aprobada y de las especificaciones del proyecto.
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Para una instalación correcta, la conexión entre la línea y el terminal debe realizarse con un conductor corto y recto de la sección transversal especificada en el manual del fabricante, el conductor de tierra debe seguir la ruta más corta posible hasta el punto de puesta a tierra, los elementos de montaje deben apretarse al par de apriete especificado y se debe comprobar la integridad de todos los puntos de sellado de la carcasa antes de la energización. El manual de instalación del fabricante es la fuente autorizada para todos los requisitos de conexión mecánica y eléctrica.
Los pararrayos en servicio deben inspeccionarse periódicamente para detectar contaminación visible, grietas o marcas en la superficie de la carcasa; corrosión en la conexión a tierra; y desplazamiento del soporte de montaje. Algunos diseños incorporan un contador de sobretensiones o un monitor de corriente de fuga en la conexión a tierra. Cuando se instalan, los datos registrados (número de operaciones y tendencia de la corriente de fuga) deben revisarse en cada intervalo de inspección definido en el plan de mantenimiento del proyecto. Los cambios en la corriente de fuga a lo largo del tiempo pueden indicar la entrada de humedad o una degradación parcial de la columna MOV y deben motivar una investigación más exhaustiva según el manual del fabricante.
La aceptación de una instalación de pararrayos debe basarse exclusivamente en las especificaciones del proyecto (que definen la clase de tensión nominal, la configuración de puesta a tierra del sistema y el nivel de protección requerido), el manual de instalación y funcionamiento del fabricante (que define los valores de par, las especificaciones de los conductores y los procedimientos de prueba), los datos de aislamiento del equipo protegido (que establecen el objetivo de coordinación) y el registro de pruebas generado durante la puesta en servicio (que verifica la continuidad de la conexión a tierra, la ausencia de daños visibles y cualquier prueba de verificación in situ requerida por las especificaciones). Ninguna otra fuente constituye una base de aceptación válida.
Las normas aplicables a los pararrayos y la edición requerida para un proyecto deben confirmarse a través de la tienda web de la IEC , junto con la documentación aprobada del producto y del proyecto.
La tabla que se muestra a continuación es meramente ilustrativa. Describe patrones de síntomas que pueden motivar la investigación del estado del pararrayos. El diagnóstico real requiere mediciones, comparación con la configuración de referencia del fabricante e interpretación por parte de un ingeniero cualificado. No se debe inferir ninguna detección de fallas, clasificación o resultado a partir de esta tabla sin datos específicos del sitio.
| Síntoma | Primer examen | Causa probable | Proxima accion |
|---|---|---|---|
| Grietas visibles o marcas carbonizadas en la carcasa | Inspección visual de toda la superficie de la carcasa. | Contaminación sostenida, descarga eléctrica repentina o impacto mecánico | Retirar del servicio; consultar los criterios de sustitución del fabricante original. |
| Corriente de fuga elevada o con tendencia en el monitor | Compare la lectura con la línea base del fabricante y el historial de tendencias. | Envejecimiento de la columna MOV, entrada de humedad o capa de contaminación superficial | Programe un diagnóstico detallado; consulte el manual del fabricante. |
| El contador de sobretensiones muestra un número de operaciones inusualmente alto. | Revisar el recuento en comparación con la actividad prevista y las fechas de registro. | Los eventos de sobretensión repetidos indican un blindaje o una conexión a tierra inadecuados. | Encargar un estudio de puesta a tierra; evaluar la exposición a rayos. |
| Corrosión en la abrazadera del terminal de tierra o en el conductor. | Inspeccione la abrazadera y el conductor; verifique el estado del contacto. | Sellado inadecuado, incompatibilidad galvánica o conductor expuesto | Vuelva a conectar con el hardware correcto; vuelva a verificar la ruta de puesta a tierra. |
| Desplazamiento físico o montaje inclinado | Inspeccione el soporte de montaje y el par de apriete de los tornillos. | Carga de viento, vibración o error de instalación | Vuelva a instalar respetando las especificaciones de torque del fabricante; inspeccione la carcasa para detectar daños por tensión. |
FIG-04: Documento ilustrado y paquete de datos que un comprador debe reunir antes de emitir una solicitud de cotización para pararrayos, que combine parámetros del sistema, datos de aislamiento del equipo protegido, diseño de puesta a tierra y normas aplicables.
Al preparar una solicitud de cotización, proporcionar datos completos del sistema permite al proveedor proponer una clase y modelo de pararrayos coordinado con el equipo protegido. Por lo general, se requieren los siguientes datos.
| Entrada de RFQ | Por que es necesario | Dónde encontrarlo |
|---|---|---|
| Tensión nominal del sistema (kV) y disposición de la puesta a tierra. | Determina la tensión nominal y la clase de tensión de funcionamiento continuo. | Hoja de datos de red o diagrama unifilar |
| Tensión máxima de funcionamiento continuo en el punto de instalación | Garantiza que el pararrayos no se vea sometido a estrés por variaciones normales de voltaje. | Documentación sobre la regulación de voltaje de la compañía eléctrica |
| Exposición a sobretensiones por rayos (entrada en línea o cable) | Selección de línea de guías frente a selección de clase de estación | Estudio de coordinación de aislamiento o especificación del proyecto |
| Nivel básico de aislamiento por impulsos (BIL) de los equipos protegidos | Define el objetivo de coordinación que debe cumplir el pararrayos. | Placa de identificación del equipo protegido o certificado de ensayo de tipo |
| Corriente de falla potencial en el punto de instalación | Determina la capacidad de desconexión o de resistencia a fallas requerida | Estudio de cortocircuito |
| Disposición de puesta a tierra (sólida, resistiva, resonante, TT, TN, IT) | Afecta a la resistencia a TOV y a la selección de la tensión nominal. | Plano de diseño de puesta a tierra del proyecto |
| Condiciones ambientales (gravedad de la contaminación, altitud, exposición a los rayos UV) | Afecta a la clase de fuga de la vivienda y a la selección de materiales. | Estudio ambiental del sitio |
| Configuración de montaje (parte superior del poste, estructura de la subestación, caja de cables) | Determina el diseño de la carcasa y los herrajes de montaje. | Plano de distribución del emplazamiento |
| Normas requeridas (edición IEC, ANSI, especificación de la compañía eléctrica) | Garantiza el cumplimiento de los requisitos del proyecto y del código de red. | Especificación del proyecto |
En ingeniería de distribución, el término «pararrayos» se refiere a un dispositivo instalado en sistemas de media o alta tensión para limitar las sobretensiones transitorias a nivel de red, utilizando una columna MOV con la capacidad nominal para la clase de tensión del sistema. El término «protector contra sobretensiones» se refiere generalmente a dispositivos de baja tensión, ya sean enchufables o de panel, que se utilizan a nivel de equipo dentro de los edificios. Ambos dispositivos funcionan con principios MOV similares, pero difieren en la clase de tensión, la capacidad energética, el método de montaje y las normas que rigen sus pruebas y clasificación. Abordan diferentes puntos de la cadena de suministro y no son intercambiables.
No. Un pararrayos limita las sobretensiones transitorias; no interrumpe las sobrecorrientes sostenidas ni las corrientes de falla. Para esas funciones se requiere un fusible o un disyuntor. Eliminar la protección contra sobrecorriente de un alimentador que solo cuenta con un pararrayos deja la línea y los equipos conectados expuestos a daños por falla que el pararrayos no está diseñado para mitigar. Los tres tipos de dispositivos cumplen funciones definidas y complementarias en un esquema de protección coordinado y deben aplicarse conjuntamente.
Cuanto menor sea la longitud total del cable desde el terminal de línea, pasando por el pararrayos y el conductor de tierra, hasta el terminal del equipo protegido, menor será la tensión inductiva que se suma durante una sobretensión de frente rápido. Los ingenieros de proyecto especifican la distancia de separación máxima aceptable según el estudio de coordinación del aislamiento para la instalación específica. Como principio general, el pararrayos debe montarse lo más cerca posible del terminal protegido, según lo permita la disposición física, y el conductor de tierra debe seguir la ruta más corta y directa hasta el punto de puesta a tierra.
Un pararrayos MOV que funciona correctamente se restablece automáticamente a su estado de alta impedancia una vez que pasa el transitorio y la tensión vuelve al rango de frecuencia de operación de la red eléctrica. A diferencia de un fusible, no requiere reemplazo después de una sola operación. Sin embargo, eventos muy energéticos o sobretensiones repetidas pueden causar una degradación acumulativa del material del MOV. El monitoreo de la tendencia de la corriente de fuga y las lecturas del contador de sobretensiones en los intervalos definidos en el plan de mantenimiento del proyecto proporciona una indicación temprana del estado de la columna y debería ser una práctica estándar dondequiera que se instalen equipos de monitoreo.
Como mínimo, solicite la ficha técnica del producto que confirme la tensión nominal, la tensión de funcionamiento continuo, las características de protección y la clase de carcasa; el informe de ensayo emitido conforme a la edición aplicable de la norma IEC 60099-4 o la norma especificada para el proyecto; el manual de instalación y funcionamiento; y la declaración de conformidad con la norma declarada. En pedidos específicos para proyectos, solicite también los certificados de ensayo de tipo y, cuando lo exija la especificación, los registros de ensayos rutinarios del lote entregado. Estos documentos constituyen la base para la revisión de aceptación y deben conservarse junto con la documentación del proyecto durante toda la vida útil del activo.
