Cómo identificar pararrayos de calidad para la protección contra los sobrevoltajes

INMR Español, Pararrayos

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Todos los ingenieros de sistemas eléctricos se ven enfrentados en algún momento a un dilema similar cuando tratan de identificar qué producto ofrece la calidad que requieren, especialmente en el mercado global actual donde compiten muchos proveedores. Decidir correctamente puede resultar vital para la confiabilidad e incluso es más importante en el caso de un pararrayos contra sobrevoltajes porque su función es evitar los daños costosos que producen los sobrevoltajes por rayos o por maniobra en los activos.

Cómo definir “calidad” depende del tipo específico de pararrayos que se desea adquirir. En el caso de un pararrayos de distribución, su capacidad de desconectarse del sistema si ocurre una sobrecarga es primordial. Este también es uno de los principales puntos cuando se evalúa la calidad de un pararrayos para una línea de transmisión. Por otro lado, hay otros factores que en su totalidad son relevantes para evaluar la calidad de un pararrayos para una estación.

A veces, para diseñar y fabricar pararrayos de calidad se requieren pruebas y caracterizaciones que van más allá de lo que se indica en las normas. De hecho, a menudo son necesarias revisiones y pruebas para asegurar la calidad de cualquier pararrayos que se pone en servicio. Este artículo, que es una contribución del experto en la industria y columnista de INMR Jonathan Woodworth, nos ayuda a entender qué factores son más importantes a la hora de comprar dispositivos de protección contra picos de alto voltaje.

Fig. 1: Pararrayos tipo estación con carcasa de polímero – diseño hueco.
Fig. 2: Distribution class arrester.
Fig. 2: Pararrayos tipo distribución.
Fig. 3: Pararrayos para línea de transmisión.

Los pararrayos tipo “station class” o tipo estación protegen los activos de valor más alto en una subestación y son parte de una red que presta servicios a millones de personas. Por lo tanto, es esencial que se produzcan con el más alto nivel de calidad posible. El último diseño que se ha agregado a esta familia es el pararrayos con envolvente polimérica que combina los beneficios de los diseños con envolvente de polímero con los de envolvente de porcelana. La figura 1 muestra los distintos elementos que forman este producto. Una de sus características principales es una envolvente polimérica que puede soportar años de stress, sin importar las condiciones ambientales.

El pararrayos tipo distribución se diferencia del pararrayos tipo estación en que el primero se instala solo para proteger contra los rayos. Este componente aunque es pequeño, es clave en un sistema eléctrico ya que protege las líneas que prestan servicio directamente a los clientes finales. De forma similar, la función principal de un pararrayos de una línea de transmisión es proteger el sistema de voltaje alto de las paradas inducidas por los rayos. Un componente vital que se encuentra en los pararrayos de distribución y de línea de transmisión, pero no en los pararrayos tipo estación, es el desconectador. Si no existiera el desconectador y el pararrayos falla, el sistema haría corto circuito y produciría una parada prolongada. En caso que se produzca un corto circuito, el desconectador elimina la unidad que falla del sistema y solo se provoca un simple “parpadeo” en este.

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Características comunes de los pararrayos de calidad

Materiales resistentes con registros comprobados de servicio

Si se quiere que un pararrayos funcione por décadas sin problemas, tal vez lo primero en la lista sería que este tenga una envolvente de calidad. No todos los distintos materiales poliméricos de las envolventes se comportan de igual manera por lo que es vital seleccionar uno que haya demostrado un buen historial de servicio, incluso en condiciones medioambientales duras. Los proveedores de pararrayos deben ser capaces de entregar el respaldo técnico para demostrar, a través de pruebas y experiencia de campo, que los materiales que utilizan se desempeñarán bien en el largo plazo.

Niveles de protección

Cuando se compra un pararrayos, lo que más se requiere es la protección efectiva contra los sobrevoltajes por rayos y por maniobra. Los valores de voltaje y de salto de chispa son medidas de esta protección y mientras menores sean, mejor. Cuando se selecciona un pararrayos, es primordial considerar este parámetro crítico. Además, un proveedor de calidad siempre tendrá un registro de auditoría que compruebe todas las características publicadas acerca de sus pararrayos.

Modo de falla

Cuando un pararrayos se sobrecarga más allá de su capacidad de diseño y falla, es importante que lo haga sin poner en peligro los activos de alto valor cercanos. Para asegurarse de que el modo de falla funciona al igual que como se publica, debe haber disponible un informe de prueba certificado que idealmente sea emitido por un laboratorio independiente y acreditado. Estas pruebas son complejas y realizarlas de manera inapropiada puede hacer que los pararrayos las pasen aún si no son capaces de operar con un modo de falla seguro.

Resistencia a la humedad

La resistencia al ingreso de humedad está entre las características más significativas de un pararrayos de calidad. Es probable que los productos que se diseñan y fabrican sin probar ni verificar de manera apropiada esta capacidad, no sobrevivan mucho tiempo en las condiciones ambientales demandantes. Una idea equivocada común es que los pararrayos con envolvente de polímero son intrínsecamente resistentes a la humedad y, de hecho, no lo son.

Por esto, la función de sellado del pararrayos debería ser primordial durante el diseño y la fabricación. Para asegurar que el producto es de buena calidad, se aconseja solicitar evidencia de que el pararrayos va a soportar todas las condiciones medioambientales esperadas y también una prueba de cómo se verificó esto. Las normas IEE e IEC ofrecen un conjunto mínimo de pruebas que se deben pasar, pero por lo general, los pararrayos de calidad se prueban más allá de los estándares normales.

Pararrayos de distribución después de una prueba de cortocircuito.

Los valores de voltaje de descarga y de salto de chispa son medidas concretas de la protección y siempre deberían ser primordiales al momento de seleccionar un pararrayos.

Discos de calidad

El disco MOV o varistor es el “corazón” de un pararrayos. Sin discos de calidad que funcionen de la manera especificada, un pararrayos simplemente no le entregará al sistema el nivel deseado de protección.

Terminales duraderos

Aquí “duraderos” significa que no se dañan fácilmente al manipularlos duran te la instalación. Por lo tanto, estas piezas se deben fabricar con materiales que duren toda la vida útil de la unidad y que no causen problemas de instalación como roscados cruzados, descargas parciales o roturas. Un segundo aspecto de los terminales resistentes es la resistencia a largo plazo a la intemperie. Por ejemplo, el óxido que se forma en un conector eventualmente puede desgastar la envolvente y generar arcos eléctricos en condiciones húmedas.

Desconectador dependiente

El desconectador puede ser igual de valioso que el pararrayos si opera con éxito y ayuda a evitar el costo de una parada de largo plazo.

Por este motivo, es importante conocer el historial del servicio del desconectador. Las preguntas que hay que hacerse en este caso son: ¿durante cuánto tiempo se ha utilizado el diseño? ¿cuál es el principio de operación? ¿cuán baja y cuán alta será la corriente a la que operará? y ¿cómo se ha comprobado el desempeño durante la producción? Además, un pararrayos de calidad va a tener un desconectador que haya sido aprobado por los organismos públicos competentes como no peligroso para ser transportado. Esto significa que, si hay un incendio, no debe explotar ni poner en peligro a los servicios de emergencia.

Ejemplo de daño a un pararrayos de distribución después de 20 años en un ambiente de servicio duro.

Ventilación confiable

En el caso que un pararrayos se sobrecargue, es esencial que se ventilen los gases internos rápida y eficientemente para evitar una fractura compleja y el eventual daño colateral en los activos cercanos. Tanto los pararrayos con carcasa de polímero como los con carcasa de porcelana deben funcionar sin fallas en un escenario como este.

Materiales dieléctricos probados

Los materiales que conforman un pararrayos necesitan tener buenas propiedades dieléctricas que además dependen de dónde serán utilizados. Por ejemplo, se requiere un buen nivel dieléctrico donde sea que el material experimente stress de voltaje durante la larga vida útil del pararrayos. Los fabricantes deberían conocer bien los materiales dieléctricos que tienen un historial probado en aplicaciones de alto voltaje y solo deberían utilizar esos materiales para diseñar pararrayos de calidad.

Valor de voltaje de descarga de 10 kA en una hoja de datos típica de un pararrayos.
En el pararrayos se encuentran materiales de aislamiento.
Polymer-housed arrester with poor moisture ingress design resulted in internal corrosion and premature failure.
Pararrayos con carcasa de polímero con un mal diseño contra el ingreso de humedad lo que generó corrosión interna y una falla prematura.
Certified test reports must be complete and easy to understand.
Se deben completar informes de prueba certificados y estos deben ser fáciles de entender.
Durable high quality terminals are critical to easy and safe installation.
Contar con terminales duraderos de alta calidad es esencial para que la instalación sea fácil y segura.
Ground lead disconnector.
Desconectador de conductor a tierra.
A quality disk is always necessary to achieve a quality arrester.
Para conseguir un pararrayos de calidad siempre es necesario un disco de calidad.
Venteo superior de pararrayos con carcasa de porcelana de 60 kV que fue venteado de manera exitosa según diseño.
Tester de producción de rutina típico.
Etiqueta de seguridad en pararrayos de distribución.

Informes de prueba certificados claros & completos

La calidad y el diseño de un pararrayos se pueden determinar con su informe de prueba certificado y los fabricantes de pararrayos siempre deberían tener estos datos disponibles para los clientes. Es necesario que los informes sean claros, concisos, exactos y que sean elaborados en base a pruebas que cumplan con las normas IEEE C62.11 o IEC 60099-4. Los datos presentados deberían ser evidentes y fáciles de entender.

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Capacidad de resistencia a la frecuencia eléctrica alta

No todos los pararrayos tienen una capacidad de resistencia a la frecuencia alta (resistencia a TOV/ Temporary over voltage). De hecho, algunos pararrayos pueden ofrecer una mala capacidad de resistencia al sobre-voltaje temporal y fallan durante una falla de un cable simple a la tierra. Se aconseja instalar solo pararrayos con capacidades de resistencia al TOV alto. Esto se puede verificar con la curva de TOV que aparece en la literatura de catálogos o en los informes de prueba certificados. También es vital probar esta característica de forma rutinaria durante la producción.

Etiqueta de seguridad

Los pararrayos de distribución que tienen distinta nominación pueden parecer similares a primera vista y por eso se adoptó en la década de los 90 la práctica de usar una etiqueta de seguridad. Esta etiqueta es esencial para el personal de la línea que instala los pararrayos en caso de que accidentalmente se coloque un pararrayos de una nominación menor en una caja que contenga unidades con una nominación más alta. Así, si se coloca un pararrayos de 10 kV en una caja de 18 kV, su instalación puede generar un peligro. Si la etiqueta es más grande, es más fácil para el instalador ver la nominación y disminuye el riesgo. Esta es la tercera etiqueta de pararrayos encontrada en pararrayos de calidad e idealmente, debería ser un requerimiento obligatorio exigido por el usuario.

Pruebas de rutina dependientes & confiables

Las pruebas de rutina en los pararrayos y sus componentes son esenciales durante la producción. El voltaje de descarga, el TOV, la perdida de vatios, la corriente de fuga y la descarga parcial son parámetros críticos que se deberían monitorear y mantener dentro de los valores especificados por los fabricantes.