Principales modos de falla de los pararrayos contra sobrevoltajes

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Casi siempre la falla de un pararrayos genera un corto circuito total dentro de su envolvente. En la mayor parte de los escenarios, la falla ocurre debido a una ruptura dieléctrica por medio de la cual la estructura interna se deteriora hasta el punto donde el pararrayos ya no es capaz de soportar el voltaje aplicado, independiente si este es el voltaje normal del sistema, un sobrevoltaje temporal a frecuencia industrial (por ejemplo, seguido de fallas de la línea externa o maniobras) o sobrevoltajes por rayos o por maniobras. Existen muchas razones de porqué un pararrayos puede llegar a este estado. Esta edición del artículo de INMR escrito por el experto Michael Comber revisa los modos por los cuales gran parte de los pararrayos falla.


Ingreso de humedad

Tal vez la causa más común por la que falla un pararrayos es el ingreso de humedad a su interior. Esto implica que el pararrayos:

• no estaba bien diseñado,

• no se fabricó de manera apropiada o

• sufrió daños por una fuerza externa que comprometió su sistema de sello.

Aunque la causa subyacente en cada caso puede ser la misma, la forma en la que evoluciona hasta una eventual falla puede variar significativamente. En el caso de un pararrayos con envolvente polimérica donde hay un espacio de gas alrededor de la columna de los bloques MOV (por lo general aire seco o nitrógeno), incluso una mínima fuga puede provocar lo que se conoce como “bombeo de sello” debido a las diferenciales de presión. Por ejemplo, durante el día, el sol calienta el pararrayos de manera que la presión interna aumenta en relación a la del ambiente y ocurre una filtración de gas hacia afuera. Cuando el pararrayos se enfría en la noche, este proceso se invierte y la presión interna cae por debajo de la presión ambiental y el aire externo (con todo el contenido de humedad) entra al pararrayos. Este ciclo se puede repetir durante muchos días, meses o incluso años antes de que la humedad en el interior se acumule hasta el punto en el que hay un problema y se produce la reducción de la integridad dieléctrica. En el diseño de un pararrayos de envolvente sólida (con un poco de espacio de gas interno o nada de este), este proceso no ocurre. Sin embargo, es posible que se produzcan filtraciones a través de sellos imperfectos. En este caso, el ingreso de humedad se debe más a la “absorción”, un proceso mediante el cual la humedad encuentra gradualmente su camino a través de las interfaces entre los bloques MOV y los materiales que están en contacto con ellos.

La forma en la que se degrada la integridad dieléctrica debido al ingreso de humedad también puede variar. La sola presencia de humedad (si está concentrada solo dentro del gas en un pararrayos de envolvente polimérica) no tendrá un efecto significativo en la rigidez dieléctrica. Lo que se convierte en un problema es cómo esta humedad interactúa con las superficies internas y los materiales. Por ejemplo, se ha observado que las fallas de los pararrayos con envolvente de porcelana relacionadas con la humedad tienden a ocurrir más al atardecer que durante las horas de calor del día. Esto se atribuye a la humedad acumulada que se condensa en las paredes internas de la porcelana cuando se enfría después del atardecer. Luego, la resistencia eléctrica a través de la pared se reduce progresivamente hasta que ocurre un arco eléctrico de extremo a extremo. Por lo general, la humedad no se condensa en lo bloques MOV de un pararrayos energizado porque generan suficiente calor para mantener la temperatura levemente más alta que la del gas que los rodea. Sin embargo, si el material utilizado para revestir o acollarar los bloques es higroscópico, este puede absorber la humedad haciendo que los bloques se vuelvan más conductivos en las superficies exteriores. Básicamente, esto desplaza el voltaje hacia otros bloques y genera corrientes conductivas más altas, externas para algunos bloques, pero internas para otros. Finalmente, la pila completa ya no puede soportar el voltaje aplicado. (Nota: este escenario se puede evitar al usar solo materiales no higroscópicos, como vidrio, para mejor ajuste). En el caso de los pararrayos de envolvente sólida, la humedad que se absorbió en las interfaces internas ya sea de una parte o en todo el largo del pararrayos puede generar una ruptura dieléctrica y una falla.

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Sobrevoltaje temporal (Temporary Over Voltage – TOV)

En condiciones de operación normales (con el pararrayos energizado al voltaje de operación continua máximo, Uc), la temperatura de los bloques MOV aumenta levemente por sobre la ambiente. Luego, se alcanza un punto donde el calor incremental generado está en equilibrio con el calor que el pararrayos disipa al aire que lo rodea. Esto representa la condición de operación normal de estabilidad térmica del pararrayos, que se muestra con el punto verde en la curva 1 de la Figura 1. En esta figura, las curvas azules representan la perdida de energía de los bloques MOV como una función de la temperatura del bloque y la línea oscura representa el calor que se puede disipar desde el ensamblaje del pararrayos, también como una función de la temperatura de los bloques. Si el voltaje de frecuencia industrial a través del pararrayos aumenta (por ejemplo, debido a una interrupción del sistema, una falla o la operación de maniobras), los bloques MOV conducen más corriente y comienzan a calentarse. Siempre que el sobrevoltaje esté por debajo de algún límite crítico, se alcanzará un nuevo punto de operación térmicamente estable, aunque a una temperatura de operación de los bloques MOV más alta, como se muestra en la curva 2 con el punto verde. Sin embargo, si el sobrevoltaje es de la magnitud suficiente, el calor generado por los bloques es mayor que el calor que la unidad puede disipar. Luego, ocurrirá una situación de potencial fuga térmica, como se muestra en la curva 3.

Fig. 1: curvas de respuesta térmica a los diferentes voltajes aplicados.

Por un lado, si el voltaje vuelve a su valor normal (es decir, al MCOV) antes de que se alcance la temperatura crítica de los bloques, el pararrayos se mantendrá térmicamente estable y eventualmente se enfriará hasta llegar a su condición inicial, como se muestra en la Figura 2. Aquí, la curva A representa las condiciones para el voltaje de operación normal (es decir, MCOV) y la curva B, las condiciones para un voltaje elevado que potencialmente puede generar una fuga térmica, incluso si esto se evita porque el voltaje vuelve a su valor normal antes de que se alcance la temperatura crítica. Por otro lado, si el sobrevoltaje continúa más allá del punto en el cual se alcanza la temperatura crítica de los bloques MOV, la temperatura de los bloques sigue aumentando incluso si el voltaje vuelve al MCOV, como se muestra en la Figura 3. En ese caso (es decir, fuga térmica), eventualmente los bloques se volverán más conductores y ya no podrán soportar ni siquiera el MCOV, harán corto circuito y se generará la falla del pararrayos.

Fig. 2: potencial fuga térmica ya que se evita el TOV.
Fig. 3: el TOV no se elimina a tiempo para evitar la fuga térmica.

Envejecimiento de los bloques MOV 

En los tiempos de los pararrayos de óxido metálico durante mediados de fines de los 1970, los bloques MOV de todos los fabricantes mostraban algún grado de envejecimiento, por lo cual la disipación de energía a cualquier voltaje dado aumentaba lentamente, pero de manera continua, en el tiempo. El impacto generado en el desempeño del pararrayos sería similar al descrito para el TOV, específicamente después de algún tiempo en servicio, la energía (calor) generada por los bloques sería básicamente similar a la generada por un TOV que ocurre cuando los bloques están nuevos. A medida que pasa el tiempo, el calor generado sería equivalente al de un TOV más alto en lo bloques en su nueva condición. Finalmente, el calor generado alcanza un punto donde no se podría mantener una operación estable, como se muestra en la curva 3 de la Figura 1. Luego, los bloques experimentarían fuga térmica, al igual que si estuvieran expuestos a un TOV sostenido lo suficientemente alto cuando están en su condición original nueva. 

Esta característica de envejecimiento de los bloques fue reconocida en etapas tempranas y fue abordada en los estándares de prueba ANSI/IEEE e IEC con pruebas de envejecimiento acelerado. En estas pruebas, los bloques de prueba fueron sometidos a MCOV por 1000 horas mientras se mantenía la temperatura del bloque a 115 °C y se consideró que esto era equivalente a 40 años de servicio a 40 °C. Si al término de las 1000 horas, la disipación de energía era más alta que al inicio de la prueba, los parámetros para otras pruebas de desempeño se tenían que ajustar para representar este aumento. La clara implicancia era que los pararrayos que pasaban las pruebas funcionarían bien por al menos 40 años de servicio (dado que, por supuesto, operaban dentro de las especificaciones). Con las importantes mejoras posteriores en la tecnología de procesos, los bloques MOV producidos estos días muestran una característica por la cual la disipación de energía, en realidad, disminuye con el tiempo a cualquier voltaje dado. Esto implica que se hacen más térmicamente estables en vez de menos térmicamente estables durante el servicio y, por lo tanto, no es probable que el pararrayos presente fallas debido al envejecimiento. 

Fuga térmica por el trabajo de sobrevoltaje

El trabajo de sobrevoltaje al que se hace referencia aquí es aquel derivado de los sobrevoltajes de corriente relativamente alta debido a rayos, maniobras de líneas largas o bancos capacitores. Algunos de estos pueden tener amplitudes muy altas, pero duración relativamente corta (por ejemplo: sobrevoltajes por

rayos), mientras que otros pueden tener una duración mucho más larga con una amplitud significativamente más baja (por ejemplo, sobrevoltajes por maniobra). Aún, todos tienen un contenido de carga que, cuando pasa a través de un pararrayos, genera una cierta cantidad de energía absorbida por los bloques. Esta energía absorbida causa un calentamiento adiabático casi inmediato. Por lo general, los bloques MOV tienen una capacidad de calor específica de alrededor de 3,3 J/cm3/°C, lo que significa que sostendrán un aumento de temperatura de alrededor de 10 °C por cada 33 J/cm3 de energía (si se asume que esta energía se ingresa rápidamente).

Si el ingreso de energía es excesivo, el aumento de temperatura resultante de los bloques puede ser tal que el pararrayos es puesto en una condición de fuga térmica. Por ejemplo, si el pararrayos opera de acuerdo a la curva 1 en la Figura 1, la temperatura de operación estable será aquella que se muestra con el punto verde. Si la temperatura de los bloques aumenta rápidamente (debido a la absorción de energía) de manera que es más alta que la mostrada con el punto negro en la misma curva, entonces el pararrayos no se recuperará de este evento y pasará a una fuga térmica, como se describe anteriormente en este documento para una situación de TOV prolongado.

Daño de los bloques MOV por trabajo de sobrevoltaje

Una manifestación de la energía absorbida por los bloques MOV es el aumento de su temperatura, como se discute anteriormente. Sin embargo, si la energía es de suficiente magnitud y se deposita en un periodo relativamente corto, los bloques se pueden dañar irreversiblemente. Por ejemplo, el golpe termo-mecánico producido podría hacer que se agrietaran y quedarán en dos o más partes. En otros casos, los bloques del varistor pueden perforarse en áreas localizadas, ya sea parcial o completamente a través de su cuerpo. En otros casos, puede ocurrir una falla con agujeros pequeños en el borde del bloque, lo que posiblemente puede hacer que el material se desprenda de su superficie exterior. Por lo general, cada uno de estos tipos de daño va acompañado de la degradación de la integridad eléctrica del bloque, lo que se manifiesta ya sea por la incapacidad de soportar otro evento de energía sin que se genere una ruptura eléctrica o por la reducción de la capacidad para soportar un voltaje deoperación normal. Ambas situaciones pueden generar, tarde o temprano, una falla completa del pararrayos.