El descargador de sobretensiones (pararrayos) de óxido metálico conecta fase y tierra en paralelo con el equipo que protege. A la tensión de servicio solo deja pasar una pequeña corriente de fuga; ante un rayo o una maniobra, su resistencia cae varios órdenes de magnitud, descarga la corriente a tierra y limita la tensión al valor residual que el aislamiento sí soporta.
Qué es y dónde va
El descargador de sobretensiones, conocido también como pararrayos o DPS, protege el aislamiento de los equipos contra sobretensiones de rayo y de maniobra. Se conecta entre fase y tierra, en paralelo con el equipo protegido: transformadores, reactores, bancos de condensadores, terminales de cable, celdas y entradas de línea. No está en serie con la potencia ni interrumpe nada; solo se vuelve conductor mientras dura la sobretensión.
Los descargadores modernos son de óxido metálico (MO, principalmente óxido de zinc, ZnO) sin explosores. IEC 60099-4 fija sus requisitos y ensayos, e IEC 60099-5 da la guía de selección, aplicación y diagnóstico.
Partes principales
- Columna de varistores de óxido metálico, apilados y prensados.
- Envolvente de porcelana o de polímero (silicona), con alivio de presión o diseño que evita la fragmentación ante una falla.
- Terminales de línea y de tierra.
- Anillo de control de campo en las unidades altas de extra alta tensión.
- Base aislante y contador de descargas, a menudo con miliamperímetro o monitor de corriente de fuga.
- Desconectador, en los de distribución: separa de la red un pararrayos fallado y deja una indicación visible.
Cómo funciona
El varistor tiene una curva tensión-corriente muy no lineal. A la tensión de operación continua, Uc, circula una corriente de fuga del orden de miliamperios o menos, casi toda capacitiva. Cerca de la tensión de referencia, la resistencia del óxido cae bruscamente: un pequeño aumento de tensión produce un gran aumento de corriente.
La secuencia ante un rayo es esta:
- 01Llegada de la ondaLa onda viaja por la línea y llega a la subestación con un frente de microsegundos.
- 02ConducciónAl superar la zona de codo de la curva, el pararrayos conduce corrientes de kiloamperios a tierra.
- 03Tensión residualLa tensión en sus bornes queda limitada a la tensión residual, que depende de la amplitud y la forma de la corriente.
- 04Regreso a la zona de fugaPasada la onda, el pararrayos vuelve a la zona de fuga sin interrumpir la corriente de servicio, porque no hay arco que apagar.
La energía absorbida calienta los varistores. Si después de la descarga la potencia que genera la fuga a Uc supera la que la envolvente puede disipar, la temperatura sigue subiendo: es el embalamiento térmico. Por eso la norma ensaya la estabilidad térmica y la capacidad de energía.
La protección es mejor cuanto más cerca del equipo esté el pararrayos. La onda se refleja en los bornes del transformador y la tensión allí puede superar la residual en una magnitud que crece con la longitud de los conductores y la distancia; IEC 60099-5 trata esta distancia de protección. Instálelo lo más cerca posible del equipo, con conexiones cortas y rectas a la malla.
Selección y clases según IEC 60099-4 edición 3
- Uc: al menos la tensión fase-tierra permanente. Según guías de Siemens Energy, en redes sólidamente puestas a tierra el mínimo es Us/√3, y en redes aisladas o compensadas, Us, porque una falla a tierra puede durar mucho.
- Ur: tensión asignada, ligada a la capacidad frente a sobretensiones temporales (TOV). En los catálogos de fabricantes la relación Ur/Uc suele estar cerca de 1,25; confírmelo en la curva TOV del modelo.
- Corriente nominal de descarga (In): de 10 o 20 kA en la clase de estación y de 2,5, 5 o 10 kA en la de distribución.
- Clases: de estación (SH, SM, SL) y de distribución (DH, DM, DL).
- Capacidad de energía: la edición 3 sustituyó las antiguas clases de descarga de línea por la carga repetitiva asignada Qrs y la energía térmica Wth o la carga térmica Qth.
Variantes por nivel de tensión
- Media tensión: pararrayos de distribución con envolvente de silicona, en postes, transformadores de distribución, terminales de cable y celdas. También hay versiones enchufables y apantalladas para celdas y transformadores tipo pad-mounted. En la subestación compacta de media tensión protegen la llegada de cable y el transformador.
- Alta tensión: pararrayos de estación junto a los bujes del transformador de potencia de alta tensión, en entradas de línea y en bancos de condensadores, donde la selección se revisa por la energía de maniobra (vea banco de condensadores).
- Extra alta tensión: columnas de varias unidades, a veces en paralelo, con anillos de control de campo, y con capacidad de energía alta por las sobretensiones de maniobra en líneas largas. En GIS se usan pararrayos encapsulados en gas, que IEC 60099-4 trata aparte, y en líneas, pararrayos de línea con explosor externo (EGLA, IEC 60099-8).
Datos de placa
La placa reúne, según IEC 60099-4 y la ficha del fabricante, la tensión de operación continua Uc, la tensión asignada Ur, la corriente nominal de descarga In, la clase, la corriente de cortocircuito que soporta la envolvente, el fabricante, el tipo y el año. La ficha técnica añade las tensiones residuales a varias corrientes, las curvas TOV y los valores Qrs, Wth o Qth.
Integración con protección y control
El pararrayos no tiene relé. Si falla en cortocircuito, la falla a tierra la despejan las protecciones del circuito: sobrecorriente de tierra, distancia o la diferencial del transformador. Lo que sí se integra es su vigilancia: el contador y el monitor de fuga pueden entregar sus datos a un IED. En IEC 61850, el nodo lógico ZSAR representa el pararrayos y se reporta al sistema de control de la subestación.
Pruebas de puesta en servicio y mantenimiento
- Inspección: envolvente, alivio de presión, desconectador, conexiones a tierra y base aislante.
- Resistencia de aislamiento por unidad, con guarda.
- Pérdidas en vatios o corriente de fuga a tensión reducida, comparadas con las unidades gemelas.
- En servicio: corriente de fuga total y resistiva, por ejemplo con los métodos del tercer armónico de IEC 60099-5, y termografía.
- Contador: verificación con un probador de contadores.
El procedimiento completo está en pruebas de pararrayos de óxido metálico.
Fallas comunes y qué revisar primero
- Humedad por sellos dañados: sube la componente resistiva y la unidad se calienta.
- Exceso de energía por descargas repetidas o sobretensiones temporales largas.
- Uc mal elegida: demasiado baja para una red aislada con fallas a tierra prolongadas.
- Conexiones largas a tierra, que restan margen de protección.
- Contaminación de la envolvente.
Tras un disparo con pararrayos sospechoso, revise primero el desconectador, el contador y la envolvente, y compare la termografía y la fuga con las otras fases. Un pararrayos degradado se reemplaza; no se repara en campo.
Pruebas con Tiza Group
En Tiza Group evaluamos pararrayos de media, alta y extra alta tensión en subestaciones e industria, con medición de fuga resistiva, pérdidas y termografía. Escríbanos y le proponemos un plan de pruebas o de puesta en servicio.
Referencias
- IEC 60099-4, Pararrayos de óxido metálico sin explosores para redes de corriente alterna.
- IEC 60099-5, Recomendaciones de selección y aplicación.
- IEC 60099-8, Pararrayos de óxido metálico con explosor externo (EGLA).
- IEEE C62.11, Pararrayos de óxido metálico para circuitos de corriente alterna.
- IEC 60071-1 e IEC 60071-2, Coordinación de aislamiento.
- IEC 61850-7-4, Clases de nodos lógicos compatibles (ZSAR).
Preguntas frecuentes
¿Qué diferencia hay entre Uc y Ur en un pararrayos?
Uc es la tensión eficaz que el pararrayos soporta de forma continua; debe ser al menos la tensión fase-tierra permanente de la red. Ur es la tensión asignada, ligada a su capacidad frente a sobretensiones temporales. Ambas aparecen en la placa.
¿Qué reemplazó a las clases de descarga de línea en IEC 60099-4?
La edición 3 (2014) cambió las clases de descarga de línea por una clasificación basada en la carga repetitiva asignada (Qrs) y en la energía o carga térmica asignada (Wth o Qth), con clases de estación y de distribución.
¿Por qué se mide la corriente resistiva y no la total?
A tensión de servicio la corriente total es casi toda capacitiva y cambia poco cuando el pararrayos se degrada. La degradación aparece en la componente resistiva, que es pequeña; por eso IEC 60099-5 describe métodos para estimarla.