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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 U_c está relacionada con el valor máximo de la tensión nominal U_n 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 U_r 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 U_n, 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 U_n, 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 U_c 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 U_s 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.