Memoria
Del Pararrayos Autovalvulares
1.-
Conceptos generales.
Se
denominan, en general, pararrayos a los dispositivos destinados a
descargar las sobretensiones producidas por descargas atmosféricas, por
maniobras o por otras causas que, en otro caso, se descargarían sobre los
aisladores o perforando el aislamiento, ocasionando interrupciones en el
sistema eléctrico y, en muchos casos, desperfectos en los generadores,
transformadores, etc...
Para
que su funcionamiento sea eficaz, los pararrayos han de estar permanentemente
conectados a las líneas pero solamente han de entrar en funcionamiento cuando
la tensión alcance un valor conveniente y superior, naturalmente, a la tensión
de servicio. Es decir, que pararrayos actúa a la manera de una válvula de
seguridad.
Como
en las primeras instalaciones en que se emplearon estos dispositivos, su misión
fundamental era limitar las sobretensiones de origen atmosférico, recibieron el
nombre de pararrayos. Posteriormente' amplió su misión, utilizándose también
para proteger las instalaciones contra las sobretensiones de origen interno.
Por eso, parece mas adecuada la denominación de descargadores de
sobretensión aunque nosotros hemos conservado la denominación clásica de pararrayos,
porque nos parece más intuitiva. En lo sucesivo, utilizaremos
indistintamente ambas denominaciones y el lector debe saber que nos referimos
al mismo dispositivo.
2.-
Pararrayos autovalvulares.
Los
pararrayos casi exclusivamente utilizados actualmente se denominan pararrayos
autovalvulares o, también, descargadores auto-valvulares y, mientras
no digamos expresamente lo contrario, nos referiremos a este tipo de
pararrayos.
Un
descargador autovalvular AEG está constituido por un explosor o espinterómetro
y una resistencia en serie. El explosor está ajustado para que salte la
descarga entre sus electrodos a cierta tensión denominada tensión de
encebamiento del pararrayos, lo que establece la conexión con tierra a
través de la resistencia. Después de la disminución del valor de la
sobretensión, el explosor suprime, a su próximo paso por cero, la corriente de
la red, que se restablece a la tensión de servicio pero cuya intensidad está
limitada por la resistencia; por lo tanto, la línea queda nuevamente separada
de tierra. La resistencia está constituida por un material aglomerado
(denominaciones comerciales: thyrite, resorbite, etc...) que tiene la propiedad
de variar su resistencia con rapidez, disminuyendo cuanto mayor es la tensión
aplicada y adquiriendo un valor elevado cuando esta tensión es reducida, o sea
que tiene una característica de resistencia eléctrica muy adecuada para el
funcionamiento del pararrayos, ya que a la tensión de servicio opone mucha
resistencia al paso de la corriente mientras que, en caso de sobretensión, su
resistencia eléctrica disminuye, permitiendo así la fácil descarga a tierra con
la consiguiente eliminación de la sobretensión.
El
explosor de un pararrayos tiene una doble misión: debe cebarse en caso
de aparición de la sobretensión y, después, debe suprimir la corriente de fuga
a su paso por cero, después del amortiguamientb de la onda de sobretensión. En
los pararrayos más modernos esta doble misión está encomendada a dos explosores
conectados en serie y denominados, respectivamente, explosor de cebado y
explosor de extinción. En los modelos más antiguos, el explosor de cebado
estaba constituido por dos semiesferas, cuya distancia disruptiva era ajustable
y dependía de la tensión de cebado; en estos modelos como elementos de
extinción se utilizaban electrodos planos, con interposición de discos
aislantes. El gran inconveniente de este sistema era el valor relativamente
pequeño de la capacidad entre las dos semiesferas, con relación a la de los
electrodos planos, de lo que resulta un defectuoso reparto de tensión, ya que
el explosor de cebado recibía la mayor parte de la tensión. Por esta razón,
esta disposición fue abandonada y sustituida por el sistema de electrodos
planos apilados sin dispositivo de cebado separado. Casi todos los pararrayos
modernos adoptan esta disposición. Vamos de describir el modelo ALVB de la
firma ACEC ; las partes más importantes que constituyen este pararrayos
son las siguientes:
Explosor
de cebado. Este explosor aisla de la línea los elementos del
pararrayos para las tensiones normales de servicio, pero se ceba cuando aparece
una sobretensión que sobrepasa cierto nivel; la firma fabricante lo denomina explosor
de aislamiento. La superficie de uno de los electrodos está provista de
dientes de aristas vivas; estas aristas están en contacto con el anillo de
cerámica que separa los electrodos; este dispositivo presioniza el explosor
antes de que la tensión alcance el valor de cebado y asegura la constancia de
la tensión de cebado.
Explosor
de extinción. Una serie de explosores, cuya separación entre electrodos
está mantenida por anillos aislantes, tiene como mision interrumpir la
corriente de fuga a su primer paso por cero (esta corriente de fuga es la
corriente a frecuencia industrial que tiende a mantenerse después del paso de
la corriente de descarga), cerrando el camino conductor abierto por la
corriente de descarga.
Bloque
autovalvular. Este bloque tiene una característica tensión - corriente,
no lineal y se comporta como una resistencia de pequeño valor cuando es
recorrido por corrientes elevadas, limitando de esta forma la caída óhmica en
los bornes del pararrayos durante el curso de la descarga. Por el contrario,
esta resistencia es más elevada para la corriente de fuga, que es mucho más
pequeña, cuyo valor limita a un valor moderado, fácilmente cortado por el
explosor de extinción.
Conexión
de tierra eyectable. Una de las particularidades de este modelo de
pararrayos es el dispositivo de eyección de la conexión de tierra. Cuando se
avería un pararrayos a causa de una sobrecarga térmica (caso de funcionamiento
sobre una red con tensión de línea demasiado elevada), funciona el dispositivo
de eyección, desconectando el cable de conexión a tierra, y poniendo de esta
forma el pararrayos fuera de servicio, lo que evita un defecto línea - tierra
en la red. Este dispositivo suprime el peligro de explosión del
pararrayos y da la indicación de avería a los equipos de vigilancia.
La
firma Oerlikon utiliza el soplado magnético en
sus pararrayos autovalvulares. Efectivamente, el explosor de autoextinción
utilizado en los pararrayos clásicos no es suficiente si estos dispositivos
están sometidos a condiciones de funcionamiento muy desfavorables, por ejemplo,
en caso de corte de líneas de gran longitud en vacío. En estos casos, las
corrientes de fuga adquieren valores que el explosor de autoextinción no puede
tolerar. Por lo tanto, hay que recurrir a un explosor que, por una parte,
satisfaga las condiciones normales, tales como tensión de cebado, etc... y, por
otra parte, pueda cortar una elevada corriente de fuga.
El
único medio viable es el soplado del arco y de sus raíces, por medio de un
campo magnético propio o exterior. El desplazamiento de las raíces del arco
limita el calentamiento local del explosor, de forma que no hay quemado de los
electrodos ni formación de perlas. Además, el medio ambiente refrigera
enérgicamente el arco lo que, por el forzado equilibrio de las temperaturas,
eleva la tensión del arco.
En
principio, son aplicables los dos sistemas siguientes:
a)
Un soplado relativamente debil que solamente consigue desplazar el arco fuera
del sitio de cebado. De ello resulta una refrigeraciónración del arco que
permite cortar corrientes de fuga más elevadas que con el explosor de
autoextinción.
b)
un soplado enérgico que además de desplazar el arco, consigue alargarlo.
Este alargamiento eleva la tensión del arco, que se opone a la tensión nominal
con lo que se obtiene una notable reducción de la corriente de fuga, lo que
facilita su paso por la resistencia variable.
El
dispositivo Oerlikon aplica un fuerte soplado del arco.El campo magnético de
soplado es producido por bobinas dispuestas a una y otra parte de las placas de
las cámaras de extinción; estas bobinas están protegidas por un explosor en
paralelo.
3.-
Funcionamiento de los pararrayos autovalvulares
Para
comprender mejor el funcionamiento de un pararrayos valvular, vamos a recurrir
a un símil hidráulico (figura 531). Supongamos un embalse constituido por el
río A, la presa B, y una derivación C, compuesta ésta por una válvula de
compuerta y un conducto de evacuación. Admitamos que existen 4 niveles posibles
de agua: el nivel normal, el nivel de cebado durante el cual empieza a abrirse
la valvula, el nivel de proteccion o de seguridad y el nivel maximo. Si se
produce una crecida en un tiempo muy corto pueden ocurrir dos cosas :
Primera
-.Oue la altura del agua no sobrepase el nivel de cebado de la
compuerta; por lo tanto, ésta no se abre porque la crecida no amenaza la
seguridad de la presa.
Segunda.-
Que la altura del agua sobrepase el nivel de cebado de la compuerta;
en este caso, la compuerta se abre y deja escapar cierta cantidad de agua que
depende de la presión sobre la compuerta, es decir, de la altura de la crecida.
La apertura rápida de la válvula y la sección del conducto de evacuación, deben
calcularse de forma que, en caso de crecida repentina cuya altura sea superior
al nivel de seguridad, el agua se evacúe por el conducto en un tiempo
suficientemente corto para que el agua vuelva a su nivel de protección, sin
peligro para la integridad de la presa.
En
un sistema eléctrico, el pararrayos realiza la misión protectora encomendada a
la compuerta y al conducto de evacuación, en nuestro símil hidráulico. Por esta
razón, se denominan pararrayos autovalvulares o, también pararrayos
de e/ecto valvular.
Fig. 531. Simil
hidraulico de un pararrayos valvular : A - Embalse. B - Presa. C .-
Derivacion.
La
tensión de cebado Uc está
relacionada con el valor máximo de la tensión nominal Un de
la red, es decir con
U max = 
Por
medio de un coeficiente K que depende de las caracteristicas del pararrayos;
esta tensión de cebado vale, por lo tanto
Hasta
que la resistencia variable del pararrayos comienza su trabajo de descarga,
transcurre cierto tiempo, para el cual la tensión alcanza el valor de punta,
algo superior a la tensión de cebado Uc y desciende después
rápidamente hasta llegar al valor correspondiente a la tensión residual.
La
tensión residual Ur aparece en los bornes del pararrayos en
el momento en que la corriente alcanza su valor máximo I max; el
valor de esta tensión es
U
r = I max · R
siendo
R el valor en ohmios que, en ese instante tiene la resistencia del pararrayos.
Es
conveniente que la tensión de cebado sea lo menor posible, para lo cual debe
procurarse que el valor K no sea superior a 2,4; en estas condiciones, y
utilizando explosores constituidos por varios platillos en serie, se consigue
también que la extincion del arco se realice con una tensión 1,2 U m
que es un valor aceptable.
Tampoco
es conveniente que K sea menor de 2,4, ya que las resistencias variables de los
pararrayos admiten el paso de varios miles de amperios pero solamente durante
un tiempo reducido (del orden de 50 microsegundos); como, por otra parte, las
sobretensiones de origen interno llegan a alcanzar amplitudes de 2 
2 Un,
con una duración de unos 10.000 microsegundos, si la graduación de los
explosores permitiese el funcionamiento de los pararrayos con tales ondas y
tiempos tan elevados, las resistencias quedarían gravemente averiadas. Por lo
tanto, y de acuerdo con lo expuesto, para contar con un margen de seguridad,
debe adoptarse para K el valor indicado de 2,4.
En
lo que se refiere a la resistencia de descarga del pararrayos , para un
funcionamiento correcto del dispositivo de protección, debe cumplir varias
condiciones contrarias Por una parte, ha de presentar un valor relativamente
débil a las corrientes de choque de gran intensidad, para que el pararrayos que
protege la instalación pueda llevar la onda de sobretensión procedente de la
línea, al valor de la tensión residual Un, inferior al valor
de la tensión de seguridad de la instalación. Pero, por otra parte, a la
tensión de servicio, la resistencia ha de ser lo más elevada posible para que
el explosor pueda controlar y cortar la corriente de fuga.
La
tensión Uc es la tensión de cebado del pararrayos o del
explosor. El nivel de protección es decir, la tensión de cebado al choque U chh y la
tensión residudal U r para la
corriente nominal de descarga I d debería ser de 15 a 20 % inferior
al nivel de seguridad Us prescrito
para la instalación. Para una característica corriente - tensión, conocida, la
tensión nominal de la resistencia de descarga o del conjunto del pararrayos,
está dada por la corriente I~ que todavía puede cortar el explosor. Por lo
tanto, la eficacia de la resistencia puede expresarse por
U
r Tensión Residual
G
= -------------- = ---------------------------
U
n Tensión nominal
A
G se le llama muchas veces coeficiente de protección, cuanto más pequeño
es su valor, mejor es el efecto de protección. Dicho de otra forma, cuanto
menos inclinada es la característica U - I de la resistencia de descarga de un
pararrayos, mejor es este dispositivo.
Características
de funcionamiento de los pararrayos.
A
continuación, definiremos las magnitudes que caracterizan los pararrayos; estas
definiciones están basadas en las recomendaciones del Comité Electrotécnico
Internacional. Debe tenerse en cuenta que el conocimiento de todas estas
magnitudes es indispensable para juzgar las cualidades de un pararrayos.
Tensión
nominal. Es el valor eficaz más elevado de la tensión admitido
entre los bornes del pararrayos, a la frecuencia nominal Por lo tanto, la
tensión nominal de un pararrayos coincide con el valor de la tensión máxima de
servicio.
Tensión
de cebado. a la frecuencia de servicio. No es deseable que el
pararrayos se cebe frecuentemente con sobretensiones de origen interno, que
pueden soportar perfectamente los aparatos. Por lo tanto, está previsto que un
pararrayos pueda recibir sin cebarse estos impactos de tensión para valores de
ésta que sean 1,5 veces inferiores a la tensión nominal del pararrayos.
Tensión
de cebado al choque. En este caso, se hace distinción entre la tensión
100 % de cebado al choque que y la tensión de cebado en el frente de la onda.
La primera es el valor de cresta de la tensión de choque de l/50'microsegundos
para la cual, el pararrayos se ceba 5 veces de cada 5. La tensión de cebado en
el frente es el valor más elevado de la tensión de cebado que es medida en caso
de cebado en el frente de una tensión de choque de cierta forma y de cierto
valor.
Tensión
residual. Es la tensión que aparece en los bornes del pararrayos
cuando la corriente de descarga alcanza el valor de la corriente nominal.
Corriente
de descarga nominal. Es la amplitud de la corriente
de choque para la cual se dimensiona el pararrayos. El pararrayos debe poder
descargar esta corriente un número ilimitado de veces, sin sufrir avería. La
variación temporal difiere, según las prescripciones en distintos países, entre
8... 20 y 12. .. 45 microsegundos.
Corriente
de descarga máxima. Es la corriente máxima de choque
que el pararrayos puede descargar con seguridad. En la mayor parte de los
casos, el valor exigido es de 100.000 A para una forma de onda de 5/10
microsegundos Desde hace algun tiempo, se exige tambien una corriente de
descarga máxima para choques rectangulares de larga duración, por ejemplo,
2.000 microsegundos.
Bibliografía utilizada:
www.lafacu.com
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