El pararrayos solo protege con su nivel de protección en el lugar donde está instalado. A medida que se aleja del equipo, la sobretensión que llega al equipo supera ese nivel. La norma IEC 60071-2 estima el valor con Urp = Upl + 2·S·T, donde T = L/c y L suma la conexión a la línea, la conexión a tierra, el conductor hasta el equipo y la longitud activa del pararrayos. No da una distancia máxima universal.
Respuesta corta
Un pararrayos solo limita la tensión a su nivel de protección en los bornes donde está instalado. En el equipo que protege, a cierta distancia, la tensión puede ser mayor. La norma IEC 60071-2 da una fórmula simplificada: Urp = Upl + 2·S·T, donde Upl es el nivel de protección de rayo del pararrayos, S la pendiente de la onda que llega y T el tiempo que tarda la onda en recorrer la distancia L entre el pararrayos y el equipo. La norma no entrega una distancia máxima válida para todas las instalaciones: depende de la pendiente de la onda y del riesgo de falla que se acepte.
Por qué la distancia importa
Las características de protección de un pararrayos son válidas en el sitio donde está instalado. La tensión limitada que se aplica al equipo, a cierta distancia, debe tener en cuenta la separación entre los dos puntos. Cuanto mayor es la separación, menos eficaz es la protección. La tensión que se aplica al equipo crece por encima del nivel de protección del pararrayos a medida que aumenta la distancia.
El nivel de protección de rayo (Upl) es la tensión residual máxima a la corriente nominal de descarga en un pararrayos de óxido metálico.
La distancia efectiva es la suma de cuatro tramos
La norma define la longitud L como la suma de cuatro distancias, que muestra su figura 3:
| Tramo | Qué es |
|---|---|
| a1 | Longitud del conductor que conecta el pararrayos a la línea |
| a2 | Longitud del conductor que conecta el pararrayos a tierra |
| a3 | Longitud del conductor de fase entre el pararrayos y el equipo protegido |
| a4 | Longitud de la parte activa del pararrayos |
L = a1 + a2 + a3 + a4. Dos consecuencias prácticas:
- La conexión a tierra cuenta. Un conductor a tierra largo agrega distancia efectiva igual que uno de fase.
- El cuerpo del pararrayos cuenta. Si el efecto de su longitud no se considera al determinar sus características de protección, se suma a la de los conductores. Para pararrayos de óxido metálico sin explosores se puede despreciar el tiempo de reacción del material y sumar su longitud a la de las conexiones.
La fórmula simplificada
Para estimar la sobretensión representativa en el equipo protegido, la norma da una fórmula (1):
- Si Upl ≥ 2·S·T: Urp = Upl + 2·S·T
- Si Upl < 2·S·T: Urp = 2·Upl (ecuación 2)
Donde:
- Urp: sobretensión representativa en el equipo (kV).
- Upl: nivel de protección de rayo del pararrayos (kV).
- S: pendiente de la onda que llega (kV/µs).
- T = L / c: tiempo de recorrido de la onda, con c = 300 m/µs.
Ejemplo de cálculo con valores supuestos, solo para mostrar el efecto. Con Upl = 400 kV y una onda de pendiente S = 1000 kV/µs:
| L | T | 2·S·T | Urp |
|---|---|---|---|
| 10 m | 0,033 µs | 67 kV | 467 kV |
| 30 m | 0,1 µs | 200 kV | 600 kV |
La sobretensión en el equipo crece de forma lineal con la distancia hasta que 2·S·T alcanza el valor de Upl. A partir de ahí, la fórmula (2) fija el valor en 2·Upl.
Qué pendiente se usa
La norma indica que S debe elegirse según el comportamiento de las líneas aéreas conectadas a la subestación y según el riesgo de falla que se adopte en ella. En el anexo F explica la razón física: la pendiente de la onda que llega se reduce con la distancia recorrida por la línea, sobre todo por el efecto corona. Cuando hay varias líneas conectadas, la pendiente se puede dividir entre el número de líneas, contando solo las que razonablemente quedan en servicio durante una tormenta.
Método simplificado estadístico
El anexo F.4 da un método que evita la simulación completa. Supone que todos los rayos dentro de cierta distancia de la subestación producen sobretensiones mayores que un valor dado, y todos los que caen fuera, menores. Con él se obtiene una longitud La de línea cuya tasa de salida iguala la tasa de falla aceptable del equipo, y con ella la tensión soportada de coordinación de impulso de rayo. La norma reconoce que ambos supuestos no son estrictamente válidos, pero que sus errores se compensan en la práctica.
En una subestación aislada en gas el anexo F indica que la protección es en general mejor que en una abierta, por la menor impedancia de onda. No da una regla general para cuantificarlo. Si se usa la fórmula de una subestación abierta para una GIS, el resultado es conservador.
Qué no dice la norma
- No hay una distancia máxima universal. La norma da la fórmula y el método estadístico.
- El ejemplo del anexo H no es un límite. En un ejemplo de 500 kV, con pararrayos de 500 kV de nivel de protección, líneas de torres de acero con vano de 300 m y una tasa de falla aceptable de una en 400 años, los datos del ejemplo incluyen distancias máximas de separación de 30 m para aislamiento interno y 60 m para externo. Son datos de ese caso y no se aplican a otras subestaciones.
- Transformadores. La fórmula debe usarse con cautela, porque una capacitancia de más de unos cientos de picofaradios puede dar sobretensiones mayores.
- Forma del aislamiento. La norma recomienda considerar que la rigidez del aislamiento depende de la forma de la sobretensión. En aislamiento externo y de papel-aceite, la curva tensión-tiempo puede dar amplitudes representativas bastante menores que el pico. Para GIS y aislamiento sólido esa diferencia es despreciable.
Cómo se aplica en un proyecto
La distancia se decide en el diseño de la subestación: dónde se instalan los pararrayos, cuántos, con qué conexiones de fase y tierra. Los más cercanos al equipo de mayor valor, normalmente el transformador, y conexiones cortas y directas reducen L. Los datos de apantallamiento y puesta a tierra, que determinan la tasa de rayos que llegan, están en apantallamiento contra descargas atmosféricas y malla de puesta a tierra.
Para ampliar el tema, vea Sobretensiones de rayo en una subestación y Coordinación de aislamiento en subestaciones de 52 a 245 kV.
Cuándo llamarnos
La ubicación de los pararrayos de su subestación se comprueba en un estudio, con la pendiente que corresponde a sus líneas y el riesgo que usted acepta. Hacemos su estudio de coordinación de aislamiento y le cotizamos el alcance. Los pararrayos ya instalados se revisan con pruebas de campo.
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Referencias
- IEC 60071-2 (edición 1996), Insulation co-ordination — Part 2: Application guide, cláusula 2.3.4.5 y figura 3, anexo F (F.1, F.4) y anexo H.
Preguntas frecuentes
¿Cuál es la distancia máxima a la que un pararrayos protege a un transformador?
La norma no da una distancia máxima universal. La distancia depende del nivel de protección del pararrayos, de la pendiente de la onda que llega, de la tensión soportada del equipo y de la tasa de falla aceptada. Se calcula para cada subestación.
¿Cuenta la longitud del propio pararrayos?
Sí. Si el efecto de su longitud no se incluye al determinar sus características de protección, esa longitud se suma a la de los conductores de conexión. En pararrayos de óxido metálico sin explosores se puede despreciar el tiempo de reacción del material y sumar la longitud al conductor.
¿Por qué la fórmula debe usarse con cautela en transformadores?
Porque el transformador tiene capacitancia. Si esta supera unos pocos cientos de picofaradios, la sobretensión resultante puede ser mayor que la estimada con la fórmula simplificada.