Diseño & aplicación de la envolvente de los pararrayos

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Las envolventes de los pararrayos tienen propiedades y parámetros de diseño que no son comunes en la mayor parte de los aisladores. Mientras que un aislador de material compuesto está hecho principalmente de goma polimérica en el exterior y una varilla o tubo de fibra de vidrio en el interior, los pararrayos con envolvente polimérica se caracterizan por tener material de goma por fuera y un elemento de resistencia que une los discos MOV por debajo. Las envolventes de porcelana solían ser las únicas envolventes de pararrayos disponibles, pero eso cambió a fines de 1980 con la introducción de las unidades con envolvente polimérica para las aplicaciones de distribución. No mucho después, las envolventes poliméricas también estuvieron disponibles para los pararrayos “station class” o tipo estación.

A pesar de que el cambio de envolventes de porcelana a envolventes poliméricas fue rápido y total para los pararrayos de distribución debido al modo de falla inherentemente seguro, en el caso de los pararrayos “station class” o tipo estación, el cambio aún está en curso. Además, aún se diseñan y fabrican ambos tipos de envolventes. En esta publicación editada para la INMR, escrita por Jonathan Woodworth, Co-coordinador de la IEC TC37 MT4, se revisan los aspectos clave de las envolventes que se deben considerar cuando se especifican y aplican los pararrayos contra sobrevoltajes.


Tipos de diseño de pararrayos

Existen tres diseños fundamentales de pararrayos:

Tipo 1:

Este es el pararrayos con envolvente de porcelana, en el cual la envolvente proporciona la resistencia y además sirve como protección contra el ambiente. Durante el ensamblaje, las tapas de los extremos están fijas a la porcelana y los discos de óxido metálico van insertos en la envolvente (ver Fig. 1).

Tipo 2:

Conocido como pararrayos con envolvente polimérica de diseño hueco. Este diseño consta de un tubo de fibra de vidrio que tiene un material de goma moldeado sobre su superficie externa. Las tapas de los extremos están fijas al tubo de fibra de vidrio y los discos están insertos en el tubo (ver Fig. 2).

Tipo 3:

Conocido como diseño de pararrayos con envolvente polimérica. Tiene los discos ensamblados en un tubo vertical que está envuelto con fibra de vidrio/material epóxico o que está comprimido en un módulo con las tapas de los extremos y las varillas o correas. Una envolvente de goma se moldea directamente en el módulo del disco o se desliza sobre este. Si se desliza, por lo general, hay grasa de silicona o algún compuesto de goma RTV que se aplica a la superficie entre la goma y el módulo (ver Fig. 3).

Fig. 1: pararrayos con envolvente de porcelana. Diseño tipo 1.
Fig. 2: pararrayos con envolvente polimérica de diseño hueco. Diseño tipo 2.
Fig. 3: pararrayos con envolvente polimérica – Diseño tipo 3.

Parámetros clave de las envolventes

Distancia de fuga
La distancia de fuga es la distancia en la superficie de la envolvente desde el extremo de alto voltaje al de bajo voltaje (ver Fig. 4). Este parámetro es crítico cuando se aplica un pararrayos en las áreas donde hay contaminación por sal, industrial u otro tipo de contaminación. Por ejemplo, una vez que una envolvente contaminada de un pararrayos se humedece, la corriente de fuga externa comienza a fluir a la tierra. Si estas corrientes se vuelven demasiado altas y se generan suficientes partículas cargadas a lo largo de la superficie, se producirá un arco eléctrico, como ocurriría con cualquier aislador estándar.

Fig. 4: distancia de fuga en pararrayos en espacio abierto y cerrado.

Los arcos eléctricos incluso pueden ocurrir a voltajes de sistema normales, es decir, no se requiere impulso para iniciar el arco eléctrico. Ya que los pararrayos no son capaces de mitigar este tipo de arco eléctrico, su distancia de fuga se debe aumentar hasta el nivel necesario para prevenirlo. La norma IEC 60507 contiene una orientación para seleccionar esta distancia según los niveles de ESDD en el área de aplicación. Por lo general, las distancias de fuga varían entre 25 mm/kV y 35 mm/kV de voltaje aplicado. Mientras que aquí no existe una fórmula acordada para predecir el arco eléctrico de la frecuencia eléctrica del aislador de acuerdo con la distancia de fuga, un estimado de 0.5 veces el voltaje no disruptivo del intervalo produce un valor conservador. En este caso, el intervalo se da como distancia de golpe. Para la aplicación de un pararrayos en espacios cerrados, la distancia de fuga de la envolvente solo tiene que ser la línea recta entre los electrodos de voltaje alto y bajo.

Distancia de golpe

Esta es la distancia en línea recta desde el extremo de alto voltaje al de voltaje bajo. El voltaje no disruptivo de la envolvente de un pararrayos es una función de este parámetro.

Frecuencia de energía:

U50FO = 750 2 ln(1 + 0.55d) (kV cresta, m) para d < 1 m

U50 = U50FO (1.35K – 0.35K ) para d > 1 m y K = 0.5

Sobrevoltajes por maniobra: U50FO = 1080 ln (0.46 d + 1) (kV cresta, m)

Sobrevoltajes por rayos: U50FO = 500 d 0.6 (kV cresta, m),

donde U50FO es el voltaje de arco eléctrico de la envolvente, K = un factor de intervalo para las envolventes de los pararrayos, d = distancia en metros. En la IEC 60071-2 hay más detalles sobre estas ecuaciones.

Propiedad autoprotectora

La fórmula indicada anteriormente puede predecir de manera exacta cuando la envolvente del pararrayos provocará un arco eléctrico según la altura. Sin embargo, el voltaje a través de la envolvente solo llegará a esos niveles si no hay discos MOV en el interior. Esta característica autoprotectora de los pararrayos hace que la envolvente del pararrayos sea única entre los aisladores y también hace que la “distancia de golpe” no sea un parámetro esencial a considerar en los pararrayos en que se aplica (aunque aún es importante en el diseño).

Efecto de la altitud

La altitud de la aplicación afecta el arco eléctrico de los aisladores y esto también aplica para las envolventes de los pararrayos. Sin embargo, nuevamente, los discos MOV aseguran que el voltaje a través de la envolvente no llegue a niveles tan altos que generen un arco eléctrico. Esto se puede verificar con la fórmula para la reducción del voltaje de arco eléctrico de acuerdo con la altitud:

δ=e-A/8150, donde A es la altitud en metros y δ es el cambio en el voltaje no disruptivo.

Por ejemplo, si la altitud de aplicación es 3000 m, el voltaje de arco eléctrico de la envolvente se reducirá en un 30.8 %. Si el voltaje residual del pararrayos fuera más alto que este valor, puede haber un problema con la distancia de golpe. La altitud también afecta el voltaje no disruptivo de la frecuencia eléctrica de los pararrayos en el mismo porcentaje. Si se aplica un pararrayos en un área con alto ESDD, se debe considerar el efecto de la altitud en el diseño.

Resistencia mecánica

Por lo general, los pararrayos solo se soportan a sí mismos y por lo tanto, los requerimientos de resistencia son mucho más bajos que los de la mayor parte de los aisladores. Sin embargo, los pararrayos no necesitan soportar eventos en los que la corriente de falla fluye por varios segundos a través del pararrayos. Las corrientes de falla pueden producir fuerzas significativas en muchos sentidos. Además, puede que se requiera que los pararrayos soporten un extremo de una corta longitud del conductor y, en este caso, puede que sea necesaria una resistencia al cantiléver extra. Para cumplir con estos requerimientos, por lo general, las envolventes y los terminales se diseñan con algunos niveles de resistencia mínimos que, si bien no es algo que se exija en las normas, se ha convertido en el gancho comercial entre los diferentes fabricantes competidores. Todos los tipos de resistencia, es decir, al cantiléver, a la tensión, al momento, al estallido y al momento de torsión son provistos por piezas específicas del pararrayos. Las resistencias mecánicas se pueden resumir mejor según cada tipo de pararrayos diferente:

Con envolvente de porcelana

La resistencia física de un pararrayos depende de la resistencia de los pernos utilizados en las tapas de los extremos, las tapas de los extremos en sí (es decir, las piezas fundidas), la resistencia de las superficies de contacto entre las tapas de los extremos y la porcelana, y también depende de la envolvente de porcelana. La envolvente en este tipo de diseño entrega al pararrayos una protección ambiental y de sello, además de la resistencia mecánica.

Con envolvente polimérica de diseño hueco

La mayor parte de la resistencia de este diseño de pararrayos viene del tubo de material compuesto que pasa por la envolvente. La goma polimérica se aplica por varios medios a la parte exterior del tubo para darle una distancia de fuga, pero no ofrece ninguna resistencia mecánica adicional. Al igual que con el pararrayos con envolvente de porcelana, la resistencia de la superficie de contacto entre las tapas de metal de los extremos y el tubo de material compuesto, además de los pernos de conexión y la resistencia fundamental de las tapas de los extremos, son las fuentes de la resistencia del pararrayos. La envolvente de goma solo ofrece protección ambiental.

Pararrayos con envolvente polimérica

Al igual que con el diseño de tipo núcleo hueco, la envolvente de goma no ofrece al pararrayos ninguna resistencia mecánica adicional, la que sí obtiene de las varillas de material compuesto, ligaduras o cintas que unen los discos MOV internos. La resistencia de la superficie de contacto entre las tapas de los extremos y las piezas de material compuesto es crítica para la resistencia a la tensión y la resistencia al estallido durante un evento de falla. En estos diseños, la envolvente de goma tampoco ofrece resistencia al estallido. Si la presión al interior del pararrayos aumenta, la estructura mecánica de material compuesto no contendrá esta acumulación de presión. En vez de eso, los gases estallan fácilmente a través de la envolvente. De hecho, antes de un evento como una falla lenta por sobre temperatura, la goma incluso se puede inflar como un globo antes de estallar y dejar un agujero en el costado. Es debido a este parámetro de baja presión de estallido que los diseños de pararrayos no fragmentarios se aceptaron rápidamente en el mercado de distribución durante los años 90.

Envejecimiento

La velocidad a la cual envejece la envolvente de un pararrayos solo se convirtió en un parámetro de interés con la introducción de los pararrayos con envolvente polimérica. Los pararrayos de porcelana modernos parecen tener una característica de envejecimiento infinita y las unidades retiradas luego de décadas de su instalación no muestran signos de envejecimiento en la porcelana. Sin embargo, cuando se introdujeron las envolventes poliméricas, se comenzó a considerar el tema del envejecimiento. El término hidrofobicidad también se introdujo con los pararrayos poliméricos. Cuando una superficie es hidrofóbica, el agua forma gotas en la superficie, mientras que cuando es hidrófila, el agua se desplaza hacia afuera.

Fig. 5: goma polimérica con superficies hidrofóbicas e hidrófilas.

La importancia de este parámetro aún no se entiende a cabalidad y ambas superficies funcionan en terreno. La porcelana es hidrófila por naturaleza y la envolvente del pararrayos fácilmente durará por décadas, quizás siglos. También se sabe que todas las gomas poliméricas tienen en un principio superficies hidrofóbicas, pero con el tiempo, algunas se vuelven hidrófilas. Nuevamente, 30 años de experiencia de campo han demostrado que las envolventes pueden tener un buen desempeño incluso si su superficie se vuelve hidrófila. Sin embargo, existe una diferencia aceptada entre las superficies hidrofóbicas e hidrófilas y está es la pérdida de frecuencia eléctrica en estado estacionario. Con una vía continua, resistiva a tierra a lo largo de una superficie hidrófila, fluye más corriente que en las superficies hidrofóbicas. Esto provoca pérdidas más altas cuando la superficie está húmeda. De hecho, las pérdidas pueden agregar cientos, sino miles de vatios a la vida de un pararrayos. Aun así, comparado con las pérdidas de otros equipos, las pérdidas de los pararrayos (incluso con una superficie hidrófila) son relativamente bajas por lo que este parámetro no debería ser un problema importante.

1. Medición de la corriente de fuga externa
En relación a la fuga externa, este parámetro se puede utilizar para determinar cuándo un pararrayos de una estación está en el punto donde es necesario limpiarlo. En las zonas contaminadas, por lo general, se utilizan contadores de los pararrayos con medidores para medir la corriente de fuga externa y originar eventos de limpieza según este valor. Ya que la corriente de fuga superficial cambia con los años, puede que se tenga que estudiar esta práctica para determinar hasta qué punto será un indicador real de la necesidad de limpieza.

2. Reducción de la corriente de fuga externa

a) Limpieza
Existen dos formas de reducir la corriente de fuga externa en un pararrayos húmedo y la más rápida es limpiarlo. En las zonas con ESDD alto, las envolventes se pueden limpiar periódicamente para reducir la corriente de fuga externa y disminuir el riesgo de arco eléctrico externo o descarga parcial interna debido a las tensiones radiales. Cuando se limpian pararrayos, se deberían tomar las mismas precauciones que cuando se limpian aisladores y se pueden limpiar ambos tipos de pararrayos: los con envolvente de porcelana y con envolvente polimérica.

b) Aplicación de grasa de silicona o compuesto de silicona
Este método para reducir la corriente de fuga superficial en los pararrayos con envolvente de porcelana y con envolvente polimérica se ha utilizado por mucho tiempo en las zonas costeras y es eficaz para reducir el riesgo de arco eléctrico externo. En algunos casos, el material aplicado envejece o se descascara con el tiempo y es necesario realizar otra aplicación.

Consideraciones a tener en cuenta con los materiales

Pararrayos con envolvente de porcelana

La porcelana de varios tipos ha estado disponible por más de 150 años y se ha utilizado tanto para los aisladores como para los explosores (descritos por Joseph Henry en sus escritos acerca de los protectores contra sobrevoltajes). Este material evolucionó significativamente con las décadas y ahora, por lo general, se utiliza porcelana de alumina de alta resistencia para las envolventes de los pararrayos. Estas envolventes están vidriadas en el exterior y, a veces, también en el interior. Es común que el cuerpo de porcelana sea lo suficientemente poroso como para transmitir la humedad en el largo plazo, pero, con el vidriado de alta densidad, estas envolventes se han vuelto impermeables al agua. Las porcelanas vidriadas café y gris tienen las mismas propiedades, pero son de diferente color. En estas envolventes, el acabado con tapas de metal y sellos eficaces siempre fue y sigue siendo un tema importante a considerar en el desempeño a largo plazo.

Pararrayos con envolvente polimérica
La introducción de la tecnología de los pararrayos con envolvente polimérica trajo consigo principalmente dos tipos de materiales al mercado: el primero fue la goma de etileno-propileno, conocida como EPR; el segundo fue el material de goma de silicona, conocido como material SR. La preocupación más grande y la duda con estos materiales al momento de su introducción, era su desempeño a largo plazo. Muchas pruebas diferentes se desarrollaron y adaptaron las del mundo de los aisladores para estimar la vida útil de estos materiales aplicados a los pararrayos. Sin embargo, la prueba real ha sido los 30 años de experiencia de campo. A pesar que ha habido unos pocos modelos de pararrayos donde estos materiales de envolventes no funcionaron, tanto los tipos EPR como los SR han demostrado tener, en promedio, excelentes características de envejecimiento. En aquellos casos en los que las envolventes no funcionaron, se modificaron las fórmulas y los diseños posteriores siguen en servicio actualmente. Aún no está claro por cuánto tiempo más los materiales de las envolventes de los pararrayos instalados hace 30 años seguirán realizando su función multifacética.

Tensiones radiales

Cuando la superficie externa de un pararrayos se humedece, la distribución del voltaje en la parte externa es altamente impredecible. Por ejemplo, puede suceder a veces que el potencial de tierra sube o el potencial de alto voltaje baja. Al mismo tiempo, los discos MOV al interior del pararrayos mantienen la bien conocida distribución de voltaje estable. Si esto ocurre, las diferencias de voltaje entre el interior y el exterior pueden aumentar a niveles tales que causen la descarga parcial de cualquier aire que esté en la vía de la tensión radial. Para los pararrayos con envolvente de porcelana y los pararrayos con envolvente polimérica de diseño hueco, donde por diseño, hay grandes volúmenes de aire, esa tensión puede provocar un daño interno y un envejecimiento significativo del pararrayos. Siempre se ha aceptado que esto pudiera ocurrir, pero las tasas de fallas históricas sugieren que esto ocurre a un nivel que no podría provocar el envejecimiento de los componentes internos. Sin embargo, en los ambientes altamente contaminados, la descarga parcial puede provocar un arco eléctrico interno y una falla completa del pararrayos. Las envolventes de pararrayos con distancia de fuga extra o las envolventes con superficies hidrofóbicas, que aseguran que solo habrá una corriente de fuga mínima, tienen un impacto significativo en la prevención del envejecimiento y las fallas de los componentes internos debido a este problema. La Fig. 6 muestra el envejecimiento dentro de un pararrayos con envolvente de porcelana debido a la descarga parcial interna.

Fig. 6: efecto de la descarga parcial dentro de un pararrayos.

Crecimiento orgánico en las envolventes

Usuarios de muchas regiones del mundo han informado que las envolventes de los pararrayos pueden quedar cubiertas con crecimiento orgánico. Es posible que haya habido casos en los que ese crecimiento provocara un arco eléctrico externo o una descarga parcial interna. Sin embargo, de acuerdo con el número limitado de fallas informadas bajo estas circunstancias, no se cree que esta sea una causa importante de los arcos eléctricos o de las fallas de los pararrayos. El crecimiento orgánico, aunque no es estéticamente placentero, en la mayor parte de los casos no parece cambiar el desempeño de un pararrayos. La Fig. 7 muestra un ejemplo de crecimiento orgánico extremo que, cuando se sometió a prueba, no se comprobó que tuviera efecto en el arco eléctrico de la envolvente, húmeda o seca.

Fig. 7: prueba de voltaje no disruptivo en pararrayos con crecimiento.

Consideraciones a tener en cuenta con el sistema de sello

Por décadas, se han utilizado más o menos los mismos sistemas de sello tanto en los diseños de pararrayos con envolvente de porcelana como en los con envolvente polimérica de diseño hueco y se ha demostrado que son efectivos. Por supuesto, existen variaciones de diseño, pero fundamentalmente, son similares (ver Fig. 8). Los componentes comunes de los sellos son los O-rings adhesivos, metálicos y de goma. En los primeros diseños, puede que se haya utilizado soldadura en lugar de O-rings para conseguir un sellado incluso más duradero. El problema más grande con el diseño de los O-rings es el posible envejecimiento de la goma, la que con el tiempo puede perder la capacidad de aplicar presión en las dos superficies entre las que se comprime el O-ring. Si esto ocurre, la humedad puede atravesar el sello y alcanzar el interior del pararrayos, lo que causaría una falla interna en el corto plazo.

Por el contrario, el adhesivo en el sello transfiere fuerzas mecánicas desde la envolvente/tubo de material compuesto a las tapas metálicas de los extremos. En el caso de los diseños huecos, este adhesivo orgánico es similar al utilizado en los aisladores y se ha demostrado que tiene un buen desempeño. Para las envolventes de porcelana, el adhesivo que generalmente se utiliza es cemento Portland o alguna variante del cemento de azufre.

Fig. 8: sistemas de sello en pararrayos con envolvente de porcelana.

Permeabilidad de la goma

Todos los materiales orgánicos son, de alguna manera, permeables a los gases. Lo que esto significa para los pararrayos con envolvente polimérica es que, a alguna baja velocidad, las moléculas de H2O encontrarán la manera de pasar por la envolvente y, con el tiempo, la humedad del volumen de aire interno será la misma que en el ambiente fuera del pararrayos. Para el pararrayos con envolvente polimérica de diseño hueco (Tipo 2), el tubo de epóxico/fibra de vidrio tiene una velocidad de transmisión de vapor de agua extremadamente baja y actuará como una barrera de vapor efectiva. Como resultado, la goma se saturará con humedad a un nivel molecular, pero las moléculas no migrarán hacia el pararrayos. Para los pararrayos con envolvente polimérica con varillas o cintas (es decir, Tipo 3), la humedad puede que se detenga o no en algún punto y, con el tiempo, las moléculas de H2O entrarán al pararrayos. Si el interior del pararrayos no contiene cámaras de aire grandes, esta humedad no provocará daños. Pero, si en el interior hay huecos de aire grandes, el agua se puede condensar durante las temperaturas más frías y provocar arrastre interno y una eventual falla. Para cualquier pararrayos con envolvente polimérica de este tipo, es necesario que existan barreras de vapor de agua efectivas para evitar el riesgo de falla a largo plazo.

Consideraciones a tener en cuenta para el modo de falla

Si un pararrayos se sobrecarga, es probable que se convierta en una vía de baja impedancia a tierra y permita que miles de amperes de corriente AC del sistema fluyan a través de la unidad. Esta corriente AC es conocida como la corriente de falla del sistema y una tarea importante para la envolvente es manejarla durante la sobrecarga del pararrayos. Por lo general, para los pararrayos con envolvente de porcelana existen dos opciones en estas situaciones: ya sea hacer nada, que es lo típico para los pararrayos de distribución o hacer un gran esfuerzo en el diseño de los accesorios de los extremos para permitir la despresurización rápida de la unidad. Las mismas tapas de los extremos de venteo utilizadas en los pararrayos con envolvente de porcelana se aplican también ahora a los diseños huecos de polímero. Las décadas de uso y desarrollo las hacen altamente efectivas para evitar las fallas graves por fragmentación. Para los pararrayos con envolvente polimérica de diseño Tipo 3, los gases que se forman en el pararrayos durante un evento de falla se expulsan rápidamente en muchos puntos del pararrayos. Estos múltiples puertos de venteo hacen que los pararrayos a “prueba de fragmentación” sean una realidad. Diseñar una envolvente de pararrayos para un modo de falla seguro es una tarea tenue, pero crítica.

Conclusiones

Para diseñar una buena envolvente de un pararrayos son varias las consideraciones que se deben tomar en cuenta. Estas requieren de una combinación de habilidades de ingeniería eléctrica, mecánica, química, neumática y de materiales. Los diseñadores que se enfrentan al trabajo con envolventes de pararrayos sin duda estarán de acuerdo. Para los usuarios de los pararrayos, conocer los principios en los que se basa la selección del diseño de una envolvente, les permite entender mejor que es lo que pueden esperar de un pararrayos y que problemas puede que tengan que abordar.

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