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48 ABB Review 1/2002
ABB Review 1/2002 49
Nuevos enfoquesde la proteccióncontrasobretensionesWalter Schmidt, Felix Greuter
Cuando hay tormenta, todos contamos con la luz y el calor, a
pesar de que una tormenta con aparato eléctrico puede crear
sobretensiones gigantescas en la red. Y la prensa no publica
en primera plana que un sistema de protección ha funcionado
perfectamente. ¿Qué hacen los sistemas de suministro para
soportar estas enormes sobretensiones y mantener el flujo de
electricidad hasta nuestros hogares?
Los pararrayos son fundamentales en este sentido. Otra
posibilidad es la ’coordinación del aislamiento’, que consiste
en configurar las propiedades aislantes de todos los equipos
del sistema eléctrico de forma que este no se vea afectado por
las sobretensiones. Estas se producen, utilizando un término
bastante literal, a la velocidad del rayo, y poder soportarlas
implica el uso de un aislamiento de enormes dimensiones, el
cual, además de ocupar un valioso espacio, conlleva costes
adicionales.
Las nuevas tecnologías de aislamiento ofrecen en la actuali-
dad la posibilidad de integrar directamente la limitación de
sobretensiones en los equipos protegidos. En última instancia,
el propio aislamiento puede tener las propiedades necesarias
para disipar las sobretensiones. Las nuevas tecnologías
reducirán de manera radical los requisitos de aislamiento,
disminuirán los costes y mejorarán la funcionalidad de los
sistemas del futuro.
Phot
o: K
EYST
ON
E
50 ABB Revista 1/2002
urante mucho tiempo, las distancias
disruptivas en los pararrayos de car-
buro de silicio han sido la mejor manera de
derivar todo tipo de sobretensiones en los
sistemas eléctricos. Durante las dos o tres
últimas décadas, sin embargo, estos disposi-
tivos, de comportamiento bastante imprede-
cible, han dado paso a los pararrayos basa-
dos en varistores de óxido de zinc (ZnO).
Estos pararrayos constituyen la protección
principal de los sistemas de aislamiento
actuales. Gracias al buen control de las pro-
piedades de sus resistencias de película de
óxido metálico (MO), la protección de estos
pararrayos es mucho mejor que la obtenida
con las tecnologías anteriores.
Los pararrayos basados en resistencias
tienen que enfrentarse con sobretensiones
que pueden ser considerables y que tienen
su origen en acontecimientos de gran
importancia, como las descargas del rayo o
las corrientes transitorias de maniobra. El
trabajo del pararrayos consiste en desviar a
tierra estos impulsos instantáneos de
corriente, de modo que los costosos equi-
pos no sufran daños.
También se ha de prestar atención a la
ubicación del pararrayos. Los puntos de
reflexión de la red son importantes, ya que
las sobretensiones de corriente pueden
reflejarse y con ello adquirir mayor poder
destructor. Otro factor crítico es la pendien-
te de la onda. Las ondas con pendiente pro-
nunciada se reflejan más fácilmente y, dado
que el pararrayos sólo puede controlarlas
cuando se producen en sus proximidades,
limitan la longitud efectivamente protegida
en las líneas.
Actualmente están surgiendo nuevos
enfoques para la coordinación del aisla-
miento, en los cuales el pararrayos se com-
bina con los diversos equipos para crear
nuevas configuraciones de diseño. Entre
estas soluciones están el aislamiento con
polímeros flexibles y modernas resistencias
de MO [1, 2]. Una aplicación típica, que pro-
porciona una protección eficaz de líneas,
combina un pararrayos y un aislador sus-
pendido, como es el caso de la familia de
productos PEXLINK de ABB [3]. Ya se
han propuesto aplicaciones similares para
otros equipos, por ejemplo, los seccionado-
res [4], los transformadores [5] y los interrup-
tores automáticos. Estos sistemas ofrecen
nuevas posibilidades económicas para los
sistemas de Media y Alta Tensión.
Coordinación del aislamiento
En un sentido amplio, la coordinación del
aislamiento comprende todas las medidas
tomadas para evitar los daños causados por
las sobretensiones que aparecen en un sis-
tema eléctrico. Así lo subraya la definición
1
D
Pararrayos de línea alrededor de una serie de aisladores de 400 kV. A la izquierda,
en el extremo de alta tensión, se encuentra un desconectador.
1
ABB Revista 1/2002 51
de coordinación de aislamiento dada por
CEI: ’la correlación entre el aislamiento de
los equipos y las características de los dis-
positivos protectores, de modo que el aisla-
miento quede protegido contra las sobreten-
siones’. En este contexto, los pararrayos
constituyen tradicionalmente la ’primera
línea de defensa’.
Los pararrayos de óxidos metálicos (MO)
poseen excelentes características de pro-
tección, como muestra el ejemplo de la
figura . La característica corriente-tensión,
altamente alineal, tiene su origen en diver-
sos fenómenos que tienen lugar en las
superficies intergranulares microscópicas del
semiconductor cerámico [6].
Para la aplicación de los pararrayos de
MO es necesario conocer determinados
parámetros fundamentales para las caracte-
rísticas de protección:
n Tensión operativa continua máxima Uc
(MCOV): Esta tensión se selecciona de
modo que permanezca suficientemente por
debajo del punto de cambio brusco de la
característica, punto en el cual las pérdidas
de potencia son bajas, la mayor parte de las
corrientes son puramente capacitivas y está
garantizada la continuidad funcional del ais-
lamiento. No obstante, el pararrayos puede
utilizarse durante un tiempo limitado
(segundos, horas) con elevadas sobretensio-
nes temporales. La tensión de corriente alter-
na Ur especificada por CEI para ≥10 s [7],
por ejemplo, es típicamente 25 % mayor
que Uc, siendo la cifra real dependiente del
diseño térmico del pararrayos.
n Tensión residual o nivel de protección Up
para impulsos de corriente normalizados en
el intervalo que va desde <100 A hasta
>100 kA. A menudo Up se normaliza según
el valor máximo Ûc de MCOV (en ocasiones
también según el valor eficaz) y se hace
referencia a éste como índice de protección
2 DC
8/20µs
2 .17UP
0
1.0
2.0
3.0
10-3 10-1 101 103
Û/Û
C
Û/U
C
2.0
1.5
1.0
0.5
0
50Hz
MCOV
3 .07
I [A]
Características de protección de un moderno pararrayos de tipo de distribución
Û/Uc Tensión residual Up (máximo), normalizada según el valor eficaz de tensión
operativa continua máxima Uc
Û/Ûc Tensión residual Ûc (máximo), normalizada según Uc (máximo)
I Intensidad
2
0
1
2
3
4
5
6
7
12 17.5 24 36 52 72.5 123145
170 245300
362420
525
Um [kV]
U[p
u]
Nivel de aislamiento básico (BIL) exigido por las normas para el ensayo de las
estructuras de aislamiento para diferentes tensiones de sistema. Los modernos
pararrayos ofrecen niveles mucho más bajos de protección contra impulsos (LIPL).
U Nivel de aislamiento básico (1 pu = √̄ ¯̄2xUm/√̄ ¯̄3)
Um Tensión efectiva entre fases
3
52 ABB Revista 1/2002
R del pararrayos. Estos impulsos simulan
sobretensiones críticas, tales como:
– Las descargas eléctricas más frecuentes
(impulso de tensión nominal de IN = 2,5–
30 kA, 8/20 µs, R ≈ 1,7–2,2).
– La infrecuente descarga eléctrica directa
en un pararrayos (impulso de alta tensión
de 65–100 kA, 4/10 µs, R ≈ 2,5–2,9).
– Las operaciones de maniobra en un cor-
tocircuito (corrientes de impulso de manio-
bra de ~125–3000 A, 30/60 µs, R ≈ 1,5–1,8).
Las tensiones residuales reales dependen
principalmente de las amplitudes de
corriente y, en menor medida, de la pen-
diente del impulso .
Para seleccionar el pararrayos adecuado
es necesario conocer las corrientes de
impulsos previstas, la resistencia de aisla-
miento de los componentes eléctricos del
sistema y las condiciones de puesta a tierra
y de las sobretensiones temporales. Se defi-
ne una intensidad IN de coordinación de
impulsos para la actividad de impulsos pre-
vista; en la mayor parte de las redes ésta
tiene un valor típico de 10 kA, pero es posi-
ble elegir hasta 40 kA para los niveles de
tensión más elevados. En la figura se
resumen los niveles de aislamiento que las
normas actuales exigen para las diferentes
tensiones de sistemas. Esta cifra sólo ofrece
los valores mínimos especificados por CEI,
ya que los valores BIL, más elevados, para
una determinada tensión entre fases simple-
mente reflejan diferencias en los márgenes
de seguridad. Con fines comparativos se
proporcionan también los niveles de protec-
ción de impulsos que resultan típicos para
los modernos pararrayos MO con buenas
condiciones de puesta a tierra, que permi-
ten el valor Ûc = 1 pu (en las redes sin una
puesta a tierra sólida, el valor Uc puede
incrementarse hasta el valor de Um).
En la figura se ven claramente los
amplios márgenes de seguridad actuales
entre la resistencia del aislamiento exigida
para los equipos y la protección ofrecida
por los pararrayos modernos. Esta afirma-
ción es particularmente cierta para las ten-
siones más bajas del sistema (hasta 170 kV).
Hace muchos años que se dispone de
pararrayos acreditados, con niveles de pro-
tección bajos, y ya ha llegado el momento
de reconsiderar la práctica actual de la coor-
dinación del aislamiento. Los recientes pro-
gresos de la tecnología de materiales han
3
3
2
L
U (t)
L= V2S
UBIL-Up
Arriba: Interacción del pararrayos de sobretensiones con la onda entrante U(t)
Abajo: Cálculo de la longitud L de la protección con reflexión de onda total. La distan-
cia de protección aumenta al reducirse la tensión residual Up pero disminuye cuando
se hace mayor la pendiente S de la onda. Para descargas eléctricas a distancia es
típica una pendiente en torno a 1.200 kV/µs.
L Alcance de protección, en m
UBIL Nivel de aislamiento básico del equipo (por ejemplo un transformador), en kV
Up Nivel de protección del pararrayos, en kV
S Pendiente de la onda de sobretensión (aprox. 1.200 kV/µs)
V Velocidad de propagación de la onda
Línea aérea, aprox. 300 m/µs
Cable, aprox. 150 m/µs
4
Gama Relación
Up 8/20µs / Uc (máx.)
Uc POLIM-D MWK
kV clase 1 clase 2 clase 1 clase 2
3–24 2,48 2,7 a 3.3
4 – 36 2,17 2,5 to 3
Tabla 1: Comparativa de diversos pararrayos. Los bajísimos niveles de
protección de los pararrayos con carcasa de polímero (tipos MWK y POLIM-D)
dan como resultado mejores distancias de protección.
Otros sistemascomercializados
Otros sistemascomercializados
ABB Revista 1/2002 53
abierto las puertas a nuevas posibilidades,
no sólo para diseñar aislamientos menos
sobredimensionados sino también para ubi-
car los pararrayos en otros puntos de la red.
La distancia de protección
La protección de los pararrayos está dada
solo en una distancia L de protección limita-
da. Este parámetro depende estrechamente
del nivel de protección del pararrayos, o
tensión residual Up , y de la pendiente S de
la onda de sobretensión. Su valor, que se
calcula con la ecuación de la figura ,
corresponde al caso más desfavorable de
reflexión total en un extremo abierto.
Dado que no todos los pararrayos ofre-
cen el mismo nivel de protección, la distan-
cia de protección también varía. La Tabla 1
muestra las diferencias entre los pararrayos
disponibles actualmente. Se aprecia que los
valores de protección son particularmente
bajos en los pararrayos con carcasa de polí-
mero de los tipos MWK y POLIM-D. Sus
mejores distancias de protección los hacen
superiores a los demás productos disponi-
bles en el mercado.
Cuanto más cerca del equipo se encuen-
tra un pararrayos, mejor es la protección
que ofrece. La conclusión lógica es que la
mejor protección se conseguirá combinando
estrechamente el pararrayos y el equipo o
incluso integrando aquél en éste.
Integración de los pararrayos
en los equipos
La protección de sobretensión, basada
ahora en un pararrayos integrado y no en
un pararrayos a distancia, trae consigo
varias ventajas obvias. No sólo se hace
mejor y más eficaz la protección, sobre todo
para las corrientes transitorias súbitas, sino
que la combinación de equipos resulta más
económica por la menor necesidad de espa-
cio y por la reducción del trabajo logístico y
de montaje.
Este tipo de integración ya se ha imple-
mentado satisfactoriamente, por ejemplo en
los transformadores, en los cuales el para-
rrayos se encuentra en un depósito, sumer-
gido en aceite [8]. También son conocidas
las combinaciones con seccionadores de
Alta Tensión y desconectadores de fusible
de Media Tensión. En el desconectador de
fusible que aparece en , uno de los aisla-
dores de poste ha sido sustituido por un
pararrayos MWK de alto rendimiento. El
resultado es una protección más eficaz con-
tra las sobretensiones, una reducción de las
necesidades de espacio y mayor facilidad
del montaje. Otras posibilidades son la inte-
gración en aisladores de línea o en transfor-
madores de medición. La figura muestra
un pararrayos-aislador de línea del tipo
POLIM-S, suspendido, que en un mismo
dispositivo combina las funciones de sopor-
te mecánico y de protección contra las
sobretensiones. También se han creado
diversas combinaciones, en estrecha proxi-
midad, de pararrayos y pasantes de alta ten-
sión para obtener una protección del trans-
formador más eficaz [5] y para un pasante
de alta tensión con aislamiento de gas [9].
El pasante-pararrayos de media tensión,
plenamente integrado, que aparece en la
figura , combina un pararrayos normal
de clase 2 con un pasante de intemperie
para formar un único componente compac-
to. Estas soluciones son factibles gracias al
desarrollo de nuevos elementos tubulares
de MO que permiten una integración con-
céntrica extremadamente compacta sin afec-
tar a la funcionalidad del dispositivo de pro-
tección o del pasante.
Esta integración, que tiene efectos críti-
7
6
5
4
Seccionador-fusible. El aislador de
poste de la izquierda posee un pararrayos
MWK integrado; el aislador de la derecha
es de tipo convencional.
5
Pararrayos-aisladores de línea en
suspensión, combinando el soporte
mecánico y la protección contra sobre-
tensiones en un solo dispositivo
6
54 ABB Revista 1/2002
cos sobre las características del campo eléc-
trico de los equipos, ha de ser tenida en
cuenta en el diseño. Es necesario, por ejem-
plo, investigar a fondo la influencia mutua
de las partes adyacentes sobre la distribu-
ción del campo.
Los ensayos y cálculos de campo han
demostrado la posibilidad de obtener solu-
ciones optimizadas y altamente integradas.
En la figura se muestra, por ejemplo, el
trazado para una terminal de cable con
pararrayo integrado. Este ejemplo eviden-
cia la uniformidad de la distribución del
campo dada por los elementos MO, la cual
proporciona al mismo tiempo la función de
nivelación del campo eléctrico y la absor-
ción de sobretensiones en el dispositivo
integrado.
Una desventaja potencial de la integra-
ción es que una sobrecarga del pararrayos
podría afectar al funcionamiento del mate-
rial utilizado para el encapsulado. Sin
embargo, la probabilidad de que esto ocu-
rra se reduce al seleccionar una mayor
capacidad de absorción de energía, toman-
do por ejemplo CEI clase 2 en lugar de
clase 1. En el ejemplo , se han seleccio-
nado pararrayos CEI clase 3 para reducir de
manera importante las averías y proporcio-
nar la máxima disponibilidad posible inclu-
so cuando se producen descargas eléctricas
muy frecuentes. Los ensayos de resistencia
6
8
Posibilidades de integración:
el pararrayos de 24-kV (centro
izquierda) y el pasador de intem-
perie (izquierda) se pueden
combinar formando un pasante-
pararrayos compacto (centro-
derecha) que puede conectarse
a una terminación DIN estándar.
7
Um Tensión Sistema de protección
de Aislamiento Pararrayos interactivos Aislamientoservicio
CEI actual Puesto a tierra No puesto Nuevo ‘BIL’1 pu BIL firmemente a tierra propuesto
kV (máx.) Up firmemente
kV kV kV kV kV
12 9,8 60 /75 20 ≤ 34 < 50
24 19,6 95 /125 40 ≤ 66 < 80
36 29,4 145 /170 65 ≤ 105 <120
Tabla 2: Propuestas para una nueva coordinación de aislamiento:
aislamiento dinámico con función de pararrayos integrada
ABB Revista 1/2002 55
del aislamiento se ven afectados, natural-
mente, por el pararrayos integrado y, en
consecuencia, se precisan nuevos criterios
de ensayo. Este punto se analiza, por ejem-
plo, en CEI 60694.
Hacia dónde va la protección
contra sobretensiones
La tendencia que se percibe actualmente,
más integración de las funciones de aisla-
miento de los equipos y pararrayos, se
intensificará en los próximos años. La
reducción de costes y el aumento de rendi-
miento y disponibilidad de los equipos
serán decisivos para los operadores, tanto
más si consideramos el clima actual de libe-
ralización y privatización. Cuando se des-
arrollen programas de protección que
superen la práctica actual de proteger úni-
camente los puntos críticos del sistema y
estén orientados a conseguir una red con
protección ampliamente distribuida será
posible revisar la coordinación del aisla-
miento y corregir a la baja las normas. La
Tabla 2 propone una forma de reducir el
aislamiento de los sistemas dirigiéndose
hacia un ‘new BIL’ o nivel básico de aisla-
miento, buscando una nueva configuración
de aislamiento dinámica o interactiva. Cla-
ramente se podría conseguir una simplifica-
ción radical de las redes con una buena
puesta a tierra o de los sistemas de corte
rápido por fallos de puesta a tierra. La ten-
sión nunca será superior a la tensión resi-
dual del aislamiento interactivo y la distan-
cia de protección dejará de tener importan-
cia. A medida que avance la integración
desaparecerán los límites entre el aislamien-
to y la protección e, inevitablemente, el
material aislante se encargará de disipar las
sobretensiones.
Estos desarrollos, realistas, están en fase
de investigación. Por ejemplo, con los nue-
vos compuestos de polímeros basados en
microresistencias variables [10], que pueden
ser moldeados con la forma que se desee,
es posible adaptar los microcontactos y la
estructura para obtener características alta-
mente alineales que cubren el campo de
altas tensiones necesarias para controlar las
corrientes de impulsos. Así se daría un pri-
mer paso hacia un aislamiento dinámico y
autoprotector, capaz de cambiar drástica-
mente nuestro enfoque de la coordinación
del aislamiento.
Distribución del campo eléctrico
para una terminación de pararrayos
integrado de 24-kV
8
Autores
Walter Schmidt ABB Switzerland LtdHigh Voltage TechnologiesCH-5430 [email protected]
Dr. Felix Greuter ABB Switzerland LtdCorporate ResearchCH-5405 Baden-Dä[email protected]
Bibliografía[1] W. Schmidt: Los nuevos POLIM®, pararrayos con aislamiento de silicona para redes de tensión media. Revista ABB 2/96, 32–38.
[2] T. Skytt, H.E.G. Gleimar: Cambio de guardia: Los polímeros sustituyen a la porcelana en los pararrayos. Revista ABB 1/02, 43–47.
[3] ABB publ. SESWG/A 2110E PEXLINK Ed 2, 1999.
[4] V. Hinrichsen, et al: CIGRE 2000, paper 33–104.
[5] W. Schmidt: Metal-oxide: An almost ideal surge arrester. Bull SEV/VSE 7/1998, p 13.
[6] F. Greuter, et al: La resistencia de óxido metálico: elemento clave de los modernos descargadores de sobretensiones. Revista ABB 1/89, 35–42.
[7] IEC 60071 part 1 (1993) and 2. Insulation coordination.
[8] M. Kobayashi, et al: Built–in type ZnO arresters for distribution pole transformers. CIGRE SC 33-95 and CIGRE Working Group 33.11TF 03.
Application of Metal Oxide Surge Arresters to Overhead Lines.
[9] Siemens Infosheet 3ED2, 03/2000: Combined arrester-bushing for gas-insulated switchgear.
[10] R. Strümper, P. Kluge-Weiss, F. Greuter: Smart varistor composites. Advances in Science and Technology, Intelligent materials and systems,
1995, vol 10, 15–22.
