El apantallamiento protege los equipos y barrajes de una subestación contra el impacto directo del rayo, con cables de guarda y mástiles conectados a la malla de puesta a tierra. Su ubicación se calcula con los métodos de IEEE 998, como el ángulo fijo, las curvas empíricas o el modelo electrogeométrico con la esfera rodante. Las sobretensiones que entran por las líneas las limitan los pararrayos, no el apantallamiento.
Qué es y dónde está
El apantallamiento es el conjunto de elementos que intercepta las descargas atmosféricas directas antes de que caigan sobre los equipos, las barras y los conductores de una subestación. Lo forman cables de guarda tendidos sobre el patio, mástiles o puntas en los pórticos, y las bajantes que llevan la corriente a la malla de puesta a tierra. Un rayo que cae directamente sobre una barra produce una sobretensión que ningún aislamiento razonable soporta; el apantallamiento evita que eso pase con una probabilidad aceptable.
Sus partes y cómo trabaja cada una
- Cables de guarda sobre el patio y en la llegada de las líneas. Cubren zonas largas, como barrajes y vanos de entrada, y en las líneas continúan el apantallamiento hasta la subestación.
- Mástiles independientes o sobre pórticos. Protegen zonas puntuales, como transformadores y equipos aislados.
- Puntas en lo alto de pórticos y estructuras metálicas.
- Bajantes y conexiones a la malla, lo más cortas y directas posible.
- Otras estructuras puestas a tierra, como torres de comunicaciones o postes de alumbrado, que también participan en la protección.
Cuando el líder descendente del rayo se acerca, el primer objeto que queda a la distancia de impacto recibe la descarga. El diseño consiste en ubicar cables y mástiles para que ese objeto sea siempre un elemento del apantallamiento y no un equipo energizado.
Métodos de cálculo según IEEE 998
IEEE 998 es la guía para el apantallamiento de subestaciones contra descargas directas. Presenta en detalle dos enfoques:
- Métodos empíricos clásicos: el ángulo fijo, en el que cada mástil o cable protege un cono o una cuña definida por un ángulo, y las curvas empíricas. Son sencillos y se han usado durante décadas, sobre todo en tensiones bajas.
- Modelo electrogeométrico (EGM). Relaciona la distancia de impacto con la corriente del rayo. Se calcula la corriente que, al caer sobre una barra, produciría una tensión que el aislamiento apenas soporta; de ella sale la distancia de impacto. La aplicación práctica es la esfera rodante: se hace rodar una esfera con ese radio sobre el patio, apoyada en mástiles, cables y estructuras puestas a tierra. Lo que toque la esfera está expuesto; lo que queda debajo, protegido. La guía incluye también versiones revisadas del modelo y ejemplos resueltos.
- 01Nivel de aislamientoEl de los equipos y barras que se protegen
- 02Corriente críticaLa que, al caer sobre una barra, produce una tensión que el aislamiento apenas soporta
- 03Distancia de impactoSale de esa corriente y es el radio de la esfera
- 04Esfera rodanteSe hace rodar sobre mástiles, cables y estructuras puestas a tierra
- 05Zonas protegidasLo que toca la esfera está expuesto; lo que queda debajo, protegido
Los rayos de menor corriente tienen menor distancia de impacto y pueden pasar entre los elementos del apantallamiento; si su tensión no supera el aislamiento, el pararrayos y el aislamiento los soportan. Por eso el apantallamiento y los pararrayos se diseñan juntos.
Para edificios y estructuras, IEC 62305-3 fija radios de esfera rodante por clase de sistema de protección: 20 m para la clase I, 30 m para la II, 45 m para la III y 60 m para la IV.
Cómo cambia por nivel de tensión
- Media tensión y subestaciones compactas: muchas veces la subestación es interior o en celdas, y la protección contra rayos es la del edificio según IEC 62305, más pararrayos en las llegadas de cable o de línea.
- Alta tensión: cables de guarda y mástiles sobre el patio, continuación del cable de guarda de las líneas hasta el pórtico de llegada.
- Extra alta tensión: patios extensos y equipos altos, con mayor nivel de aislamiento, lo que cambia la distancia de impacto y la geometría del diseño.
- Plantas solares: la subestación sigue estos criterios; el campo solar y los centros de transformación se tratan con la evaluación de riesgo de IEC 62305.
- Industria: la subestación de entrada se apantalla igual que cualquier subestación; los edificios de proceso siguen IEC 62305.
Criterios de diseño
- Nivel de aislamiento de los equipos y barras, que define la corriente crítica y la distancia de impacto.
- Densidad de descargas a tierra del sitio, que define el riesgo.
- Alturas de equipos, barras y estructuras, tomadas de los planos de elevación.
- Llegadas de línea con su cable de guarda.
- Ampliaciones futuras, para que un equipo nuevo más alto no quede fuera de la zona protegida.
El resto de los sistemas del sitio, como los servicios auxiliares y la protección contra incendio, crece con el nivel de tensión de forma parecida; vea servicios auxiliares por nivel de tensión.
Coordinación con pararrayos y puesta a tierra
El apantallamiento lleva la corriente del rayo a la malla. Allí, la elevación de potencial puede transferirse a cables de control y comunicaciones; por eso las bajantes deben ser cortas, la malla debe estar bien distribuida cerca de mástiles y pórticos, y los cables secundarios deben tener sus pantallas y su puesta a tierra según el diseño. Las sobretensiones que entran por las líneas, o que deja una falla de apantallamiento, las limita el descargador de sobretensiones ubicado junto al equipo protegido.
El apantallamiento no tiene relé ni lógica. Sus efectos se ven en las protecciones: un rayo sobre una línea mal apantallada aparece como una falla monofásica que despeja la protección de línea y que a menudo se recupera con el recierre automático 79.
Fallas comunes y qué revisar primero
- Bajantes o conexiones a la malla cortadas o robadas.
- Cable de guarda roto o flojo, con riesgo de caer sobre barras energizadas.
- Equipos nuevos más altos que quedaron fuera de la zona protegida después de una ampliación.
- Corrosión en uniones y bases de mástiles.
- Daños en equipos electrónicos después de tormentas: revise puesta a tierra y pantallas de cables antes de culpar al apantallamiento.
Pruebas y mantenimiento
En puesta en servicio: verificación de la geometría construida frente al diseño, continuidad entre mástiles, cables de guarda y malla, y medición de la impedancia de la malla. En mantenimiento: inspección visual de cables de guarda y herrajes, revisión de bajantes y conexiones, y revisión del diseño cuando se agrega o se cambia un equipo. Las pruebas de los pararrayos están en pruebas de pararrayos.
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Referencias
- IEEE 998: guía para el apantallamiento de subestaciones contra descargas directas.
- IEC 62305-1 e IEC 62305-3: protección contra el rayo, principios generales y daño físico a estructuras.
- IEEE 80: seguridad en la puesta a tierra de subestaciones de corriente alterna.
- IEC 60099-5: pararrayos, selección y aplicación.
- IEC 60071-2: coordinación de aislamiento, guía de aplicación.
Preguntas frecuentes
¿Qué diferencia hay entre apantallamiento y pararrayos de óxido metálico?
El apantallamiento intercepta el rayo antes de que caiga sobre un equipo o una barra y lo lleva a tierra. El pararrayos de óxido metálico limita la sobretensión que llega por la línea o que queda cuando falla el apantallamiento. Se necesitan los dos, y ambos dependen de una buena conexión a la malla.
¿De qué depende el radio de la esfera rodante en una subestación?
En el modelo electrogeométrico, de la corriente de rayo que se quiere interceptar: se calcula la corriente que produciría una tensión que el aislamiento apenas soporta y, de ella, la distancia de impacto, que es el radio de la esfera. Por eso depende del nivel de aislamiento y de la impedancia de las barras.
¿Sirve IEC 62305 para apantallar el patio de una subestación?
IEC 62305 trata la protección de estructuras, como la casa de control o los edificios industriales, con radios de esfera rodante fijos por clase de protección. En el patio de la subestación lo habitual es diseñar con IEEE 998, la guía específica para subestaciones, que relaciona la protección con el aislamiento de los equipos.