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• Oswaldo Jose Machado

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Pararrayos Un pararrayos ó descargador de sobretensión es un dispositivo diseñado para la protección de aparatos eléctricos contra las sobretensiones, el cual en condiciones normales se comporta como un aislador, permitiendo sólo el paso de una pequeña corriente de fuga (menor que 1 miliamper); y en presencia de una sobretensión conduce sólo la corriente

necesaria para limitarla (corto circuito), teniendo capacidad para interrumpir estas corrientes hasta rangos muy elevados sin deteriorarse. Como resultado los pararrayos absorben la mínima energía para proteger el aislamiento del equipo.

1-Tipos de pararrayos

1.1- Pararrayos autoválvula Consiste en dos explosores conectados en serie por medio de resistencias variable. Uno de los explosores determina la tensión del pararrayos y el nivel de protección llamado “explosor de disparo”; y el otro, el explosor de placas múltiples que costa de láminas de cobre separadas entre sí por un material aislante, cuya función es refrigerar arco eléctrico y homogeneizar el campo eléctrico. La resistencia no lineal está formada por discos de óxido de zinc, incrustados en una masa aglutinante no conductora (ver figura 1.1).

el

Figura 1.1 Representación de un 1.2- Pararrayos de expulsión descargador autoválvula

Se suele usar en sistemas de distribución de energía hasta de 34,5 KV. Está conformado por el cabezal del descargador y el propio conductor activo. Este explosor se encuentra en serie con otro, pero dentro de un tubo de fibra de vidrio (explosor interno), en cuyo interior tiene lugar la descarga eléctrica. La alta temperatura del arco produce una corriente gaseosa turbulenta, la cual procede de la descomposición superficial de la fibra. En el interior del tubo, por consiguiente, ocurre una variación brusca de la presión;

esta trata de expulsar violentamente al gas fuera del tubo por el único orificio disponible para tales fines. Así, el arco es desgarrado, al mismo tiempo que se irrumpe la descarga (Ver figura 1.2). 1.3- Pararrayos catódico Este tipo de pararrayos posee la totalidad de los elementos que se observa en el explosor de disparo, el cual determina al nivel de protección dado por el descargador y se ilustra en la Figura 1.2 Representación simplificada de un pararrayos figura 1.3. de expulsión

El explosor consta de electrodos divididos. En caso de variaciones graduales y lentas de la tensión de servicio, actúan simultáneamente todas las partes de su superficie esférica, como salidas de chispa. Si, por el contrario, se manifiesta una sobretensión u onda viajera, con incrementos bruscos como los frecuentemente observados en Figura 1.3 la práctica, la tensión, en la parte exterior Descargador catódico del electrodo, se encuentra retrasada con relación a la interior, de forma que este electrodo, con sus cantos vivos, actúa como si fuese un descargador de puntas, facilitando con ello la descarga a tierra. Los electrodos divididos se encuentran conectados entre sí a través de una resistencia de elevado valor óhmico. Enseguida del explosor se ubica una resistencia a base de carburo de silicio, conformada por discos de igual diámetro, emplazados uno arriba del otro, o distribuidos helicoidalmente, de manera que pueda lograrse un dispositivo de protección más pequeño y compacto. El número de discos depende de la tensión y el diámetro de los mismos de la

intensidad de corriente máxima que tiene que ser enviada a tierra. Los discos a base de carburo de silicio (material semiconductor) le confieren a este pararrayos un comportamiento autoválvula, el cual se analiza detenidamente más adelante. (Ver figura 1.4.2) 1.4- Pararrayos de óxido metálico (ZnO) Su estructura es similar a los pararrayos de SiC pero construidos únicamente por varistores de ZnO (Ver figura 1.4.1). El uso Bloques del ZnO facilita sustancialmente la extinción de Oxido de la corriente de fuga, por lo que algunos metálico fabricantes han eliminado al explosor de en serie disparo, la ausencia de los explosores hace sin que el pararrayos sea continuamente descarga conductor, pero, bajo la tensión nominal de la red la corriente de fuga a tierra es muy débil (inferior a 10mA). Su principio de funcionamiento se basa en la característica fuertemente no lineal de las varistancias. Esta no linealidad es tal que la resistencia pasa de 10MΩ a 15Ω entre la tensión de servicio y la tensión con la corriente nominal de descarga (Ver figura 1.4.2).

Figura 1.4.1 Resistor de descarga en MO

Figura 1.4.2 Características de los pararrayos de SiC y ZnO

2- Clasificación de pararrayos según norma ANSI/IEEE c 62.11 de 1,987

Clasi Tensi ficaci ón ón de diseñ o Secu meno ndari res a o 3kV De 3kV a distri 37kV bució n Tipo 3kV a inter 144k medi V o Tipo 115k estaci Va ón 468k V 3- Analisis para la selección de un pararrayos Los pararrayos, limitan las sobretenciones en un nivel seguro (por debajo del BIL de equipo) y de esta forma el equipo es protegido. La diferencia entre el BIL del equipo y el nivel de protección se denomina margen de protección.

Para la selección del pararrayos, es necesario conocer  Tensión máxima del sistema (Um)  Sobretensiones temporales:  Amplitud máxima  Duración  Tiempo del interruptor para despejar fallas  Corrientes de descargas  Influencias ambientales Características del pararrayos  Tensión de servicio continuo (Uc)  Tensión nominal del pararrayos (Ur)  Niveles de protección a las corrientes de descargas respectivas  Tensión residual a la corriente de descarga nominal  Tensión residual a los impulsos de maniobra  Tensión residual al escalón de corriente

Definiciones: 1. Tensión máxima de red (Um): La tensión máxima entre fases durante el servicio normal.

2. Tensión de servicio continuo (Uc): Es la tensión de frecuencia industrial eficaz máxima admisible que se puede aplicar de forma continua entre los terminales del descargador. 3. Sobretensiones temporales (TOV): Son sobretensiones de frecuencia industrial oscilantes de duración relativamente larga (entre algunos ciclos y varias horas). La capacidad de sobretensión temporal de los descargadores está indicada con la carga energética primaria en los catálogos pertinentes. 4. Tensión residual: Es la tensión que aparece en bornes del equipo por defecto de la descarga del pararrayos. Debe ser igual o inferior al BIL del equipo a proteger, 5. Tensión de descarga: Se refiere a la caída de tensión generada entre sus terminales línea tierra, cuando la onda normalizada de magnitud de corriente específica se descarga a través del pararrayos. La onda normalizada de descarga usada es de 8/20 seg. 6. Tensión nominal (Ur): Un descargador que cumple con la norma IEC debe resistir su tensión nominal (Ur) durante 10 s después de ser precalentado a 60°C y sometido a una inyección de energía según se define en la norma. Para seleccionar Ur se usa el siguiente método: 7. Corriente de descarga: El valor máximo del impulso de corriente de descarga que se utiliza para clasificar el descargador. La magnitud de la corriente de descarga se puede determinar por un equivalente de Thevenin en terminales del pararrayos cuando incide una onda de magnitud E, esto es: Ir =

2E−V r Z

Donde:

Ir: corriente de descarga. Vr: tensión de encendido a ondas de impulso. Z: impedancia de onda de la línea E: magnitud de la tensión de impulso máximo permitido por los aisladores Al igual que la tensión de descarga, los fabricantes indican el valor de cresta de la corriente máxima que el pararrayos puede soportar para diferentes tipos de ondas.