Las sobretensiones de rayo llegan a una subestación por las líneas aéreas conectadas, por golpe directo a una fase o por flameo inverso. Su severidad depende del comportamiento de las líneas ante el rayo, del tamaño y número de líneas de la subestación y del valor instantáneo de la tensión de servicio. Sin pararrayos, las amplitudes suelen ser demasiado altas para basar la coordinación en ellas.
Respuesta corta
Una subestación recibe las sobretensiones de rayo por las líneas aéreas que llegan a ella. El rayo puede golpear directamente un conductor de fase, cuando el apantallamiento falla, o golpear la torre o el cable de guarda y producir un flameo inverso hacia la fase. La severidad depende de tres factores: cómo se comportan las líneas conectadas ante el rayo, el tamaño de la subestación y el número de líneas, y el valor instantáneo de la tensión de servicio en el momento del golpe. Sin pararrayos, las amplitudes son por lo general demasiado altas para basar en ellas la coordinación de aislamiento.
Cómo llegan los rayos a la línea
IEC 60071-2 distingue tres mecanismos para las sobretensiones de rayo en líneas aéreas:
- Golpe directo a un conductor de fase. Ocurre cuando el apantallamiento no intercepta el rayo.
- Flameo inverso. El rayo golpea la torre o el cable de guarda y el aislamiento salta de la torre al conductor.
- Tensión inducida por un rayo a tierra cercano a la línea. Genera en general sobretensiones menores de 400 kV, y por eso importa solo en los sistemas de tensiones más bajas.
Por su alto nivel de aislamiento, el flameo inverso es menos probable en rango II que en rango I y es raro en sistemas de 500 kV o más. Las medidas que reducen su probabilidad son bajar la impedancia de puesta a tierra de las torres o aumentar el aislamiento. Contra el golpe directo, el diseño del cable de guarda. El apantallamiento de la propia subestación se trata en apantallamiento contra descargas atmosféricas y su malla de tierra en malla de puesta a tierra. Para estimar la resistencia de puesta a tierra de varillas y mallas puede usar nuestra herramienta gratuita de resistencia de puesta a tierra.
La forma representativa es el impulso de rayo normalizado de 1,2/50 µs. La amplitud se da como un valor máximo supuesto o como una distribución de valores de cresta, normalmente según la tasa de retorno de la sobretensión.
De qué depende la severidad en la subestación
Los tres factores se combinan para dar la tasa de ocurrencia y la amplitud:
- El comportamiento de las líneas conectadas ante el rayo.
- El tamaño de la subestación y, sobre todo, el número de líneas conectadas.
- El valor instantáneo de la tensión de servicio en el momento del golpe.
Para proteger bien se necesitan varios pasos. La norma lo dice claramente: sin limitación por pararrayos, las amplitudes son demasiado altas para basar en ellas la coordinación de aislamiento. Un caso aparte son las subestaciones conectadas por cable, donde la baja impedancia de onda del cable puede reducir la amplitud a valores suficientemente bajos, como autoprotección. Las conexiones de una GIS con cables y transformadores se tratan en interfaces de una GIS con cables y transformadores.
El anexo F de la norma explica que, en subestaciones sin pararrayos, el parámetro principal es la amplitud de la sobretensión que llega. En subestaciones con pararrayos, importan más su pendiente y la distancia entre el pararrayos y el equipo. La pendiente baja por el efecto corona a medida que la onda recorre la línea, por lo que solo los golpes dentro de cierta distancia de la subestación producen pendientes suficientes.
Aislamiento entre fases y longitudinal
Para el aislamiento entre fases y el longitudinal hay que tener en cuenta el valor instantáneo de la tensión de servicio en el borne opuesto.
- Entre fases. Se supone que el efecto de la tensión de servicio y el del acoplamiento entre los conductores de la línea se cancelan, de modo que el borne opuesto se considera puesto a tierra.
- Longitudinal. Esa cancelación no existe y la tensión de servicio debe incluirse.
La norma deja dos reglas según el mecanismo:
| Mecanismo | Sobretensión longitudinal representativa |
|---|---|
| Penetración del apantallamiento (golpe directo) | Sobretensión de rayo a tierra en un borne y 0,7 veces la cresta de la tensión de servicio fase-tierra, con polaridad opuesta, en el otro |
| Flameo inverso | Sobretensión de rayo a tierra en un borne más la cresta completa de la tensión de servicio, con polaridad opuesta, en el otro |
La razón es que las penetraciones del apantallamiento ocurren en un punto cualquiera de la onda de tensión de servicio, y por eso el factor 0,7 resulta adecuado. El flameo inverso, en cambio, tiene más probabilidad de ocurrir en la fase que tiene el valor instantáneo más alto con polaridad opuesta.
Cómo se protege el equipo
Más allá del diseño de la línea, la medida central es el pararrayos. La norma menciona que cerca de las subestaciones se han usado crucetas aterrizadas o explosores para limitar las ondas entrantes, pero esas medidas tienden a aumentar la probabilidad de flameo cerca de la subestación y de generar ondas de frente rápido. Por eso se debe cuidar el apantallamiento y la puesta a tierra de las torres cercanas.
Para el pararrayos se aplican corrientes nominales de descarga de 5 o 10 kA en rango I y de 10 o 20 kA en rango II. En cuanto a la energía, basta suponer normalmente que la sobretensión de rayo que llega tiene la amplitud del nivel de impulso de rayo negativo al 50 % de la línea aérea, y se considera además que un rayo puede tener varios golpes.
Hay dos datos que fijan la protección real de cada equipo: el nivel de protección del pararrayos y la distancia entre el pararrayos y el equipo. La tecnología del pararrayos se explica en descargador de sobretensiones y en pararrayos Siemens y ABB.
Para ampliar el tema, vea Distancia de protección de un pararrayos a los equipos.
Cuándo llamarnos
Si su subestación recibe líneas largas, está en una zona de mucha actividad de rayos o tuvo fallas de aislamiento por descargas, la coordinación se resuelve en el estudio de aislamiento: tasas de falla aceptadas, pararrayos y ubicación. Hacemos su estudio de coordinación de aislamiento y le cotizamos el alcance.
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Referencias
- IEC 60071-2 (edición 1996), Insulation co-ordination — Part 2: Application guide, cláusulas 2.3.4.1, 2.3.4.2, 2.3.4.4, 2.3.4.5 y anexo F.
Preguntas frecuentes
¿Qué diferencia hay entre falla de apantallamiento y flameo inverso?
En la falla de apantallamiento el rayo golpea directamente el conductor de fase. En el flameo inverso el rayo golpea la torre o el cable de guarda, sube la tensión de la torre y el aislamiento salta desde la torre hacia la fase. El flameo inverso es menos probable en rango II, por el mayor nivel de aislamiento de esas líneas.
¿Cómo se calcula el aislamiento longitudinal ante un rayo?
Con la sobretensión de rayo a tierra en un borne y la tensión de servicio de polaridad opuesta en el otro. En fallas de apantallamiento se usa 0,7 veces la cresta de la tensión de servicio fase-tierra. En flameo inverso se usa la cresta completa.
¿Una subestación con cables está mejor protegida del rayo?
Sí, cuando la subestación se alimenta por cable. La baja impedancia de onda de los cables puede reducir las amplitudes de la sobretensión a valores bajos, de modo que el propio cable ofrece una autoprotección.