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Un descargador de sobretensiones es un dispositivo de protección que limita las sobretensiones transitorias desviando la corriente de sobretensión a tierra y fijando la tensión a niveles seguros para los equipos conectados. A diferencia de los fusibles o disyuntores que interrumpen el flujo de corriente, los descargadores de sobretensiones responden en nanosegundos y se restablecen automáticamente, proporcionando una protección continua sin desconexión del circuito.
En las redes de distribución de media tensión que funcionan a 10-36 kV, los descargadores de sobretensiones de óxido metálico (MOSA) constituyen la principal defensa contra los rayos y los transitorios de conmutación que, de otro modo, dañarían los transformadores, interruptores automáticos de vacío, y terminaciones de cables. La selección adecuada depende de tres parámetros interdependientes: Tensión máxima de funcionamiento continuo (MCOV), tensión residual y clasificación energética. Cada uno de ellos aborda un modo de fallo distinto, y el descuido de cualquiera de ellos compromete todo el esquema de protección.
Los modernos descargadores de sobretensiones se basan en la tecnología de varistores de óxido de zinc (ZnO) para lograr características de resistencia dependientes de la tensión. La microestructura cerámica contiene granos de ZnO (normalmente de 10-20 μm de diámetro) rodeados de finas capas intergranulares de óxido de bismuto y otros aditivos. Estos límites de grano funcionan como diodos Schottky espalda con espalda, creando el comportamiento no lineal esencial para la protección contra sobretensiones.
Con una tensión de funcionamiento normal, el varistor presenta una resistencia extremadamente alta, superior a 10⁹ Ω, y sólo consume una corriente de fuga de microamperios (normalmente 0,5-2 mA en las unidades de clase de distribución). Cuando la sobretensión transitoria supera el umbral de conducción, se produce un túnel cuántico y una ruptura de avalancha en los límites de grano. La resistencia se reduce en un factor de 10⁶ en cuestión de nanosegundos.
La relación tensión-corriente sigue una ecuación de ley de potencia: I = k × Vα, donde el coeficiente de no linealidad α oscila entre 25 y 50 para los materiales MOV modernos. Esta no linealidad extrema significa que aumentar la tensión en 20% puede aumentar el flujo de corriente en un factor de 105 o más.
Durante una sobretensión de rayo de 10 kA, un descargador correctamente seleccionado limita el aumento de tensión a aproximadamente 2,5-3,5 veces el MCOV mientras conduce toda la corriente de sobretensión. El tiempo de respuesta es inferior a 25 nanosegundos, lo suficientemente rápido como para proteger los equipos de los impulsos de rayos de frente pronunciado.
El mecanismo de absorción de energía convierte la energía de la sobretensión eléctrica en calor dentro de la matriz de ZnO. El aumento térmico durante una sobretensión de conmutación típica alcanza los 40-80°C por encima de la temperatura ambiente. Si la energía supera la capacidad nominal del descargador, se produce un embalamiento térmico: el aumento de la temperatura reduce la resistencia, incrementando el flujo de corriente y la generación de calor hasta que se produce un fallo catastrófico.
El MCOV define la tensión RMS más alta que un descargador puede soportar indefinidamente sin degradarse. Este parámetro constituye la primera puerta en la selección de un descargador de sobretensiones: si se equivoca, el descargador fallará en cuestión de meses en lugar de décadas.
La relación entre el MCOV y la tensión del sistema depende en gran medida de la configuración de la toma de tierra:
Sistemas con una base sólida: Durante los fallos de una sola línea a tierra, las tensiones de las fases sanas aumentan aproximadamente 1,0-1,05 veces la tensión normal. Requisito MCOV:
MCOV ≥ (Um / √3) × 1,05
Sistemas sin conexión a tierra o con conexión a tierra resonante: Las fases sanas pueden alcanzar la tensión completa de línea a línea durante las faltas a tierra, que pueden persistir durante horas. Requisito MCOV:
MCOV ≥ Um × 1,05
Donde Um equivale a la tensión máxima del sistema (no a la tensión nominal, un error de especificación habitual).
| Sistema Um (kV) | MCOV sólidamente conectado a tierra (kV) | MCOV sin conexión a tierra (kV) |
|---|---|---|
| 12 | 7.6 | 12.7 |
| 24 | 15.3 | 25.5 |
| 36 | 22.9 | 38.0 |
| 40.5 | 25.5 | 42.5 |
La capacidad de sobretensión temporal (TOV) se vincula directamente a la selección de MCOV. El rechazo de carga, el aumento de Ferranti en cables sin carga o la energización del transformador pueden elevar la tensión por encima de los niveles normales durante segundos o minutos. La norma IEC 60099-4 especifica los requisitos de resistencia a TOV: los descargadores deben resistir 1,4 × MCOV durante 10 segundos sin sufrir daños.
[Expert Insight: MCOV Margin in Practice] (Perspectiva del experto: el margen MCOV en la práctica)
- Los fallos de campo suelen deberse a la selección del MCOV en función de la tensión nominal (por ejemplo, 10 kV) en lugar de la tensión máxima del sistema (por ejemplo, 12 kV).
- Los sistemas industriales sin conexión a tierra experimentan con frecuencia sobretensiones sostenidas durante la búsqueda de fallos a tierra: especifique un margen MCOV generoso.
- Los sistemas resonantes conectados a tierra (bobina Petersen) requieren el mismo MCOV que los sistemas sin conexión a tierra.
- Si no está seguro de la configuración de la conexión a tierra, utilice por defecto los valores MCOV sin conexión a tierra.
La tensión residual -la tensión en los terminales del descargador durante la descarga de sobretensión- determina la protección real del equipo. Dos formas de onda normalizadas caracterizan el rendimiento de los descargadores:
Impulso de rayo (8/20 μs): Simula descargas de rayos directas o cercanas. El nivel de protección contra impulsos de rayo (LIPL) se mide con corrientes de descarga nominales de 5 kA, 10 kA o 20 kA, dependiendo de la clase de descargador.
Impulso de conmutación (30/60 μs): Representa operaciones de conmutación como la energización de bancos de condensadores o la reconexión de líneas. El nivel de protección contra impulsos de conmutación (SIPL) se aplica principalmente a los descargadores de clase de transmisión.
El nivel de protección debe permanecer por debajo del Nivel Básico de Aislamiento (BIL) del equipo protegido. El cálculo del margen de protección:
Margen de protección (%) = [(BIL - Nivel de protección) / Nivel de protección] × 100
Según la norma IEC 60099-5 (recomendaciones de selección y aplicación), unos márgenes mínimos de 20% para impulsos de rayo y 15% para impulsos de conmutación garantizan una protección fiable teniendo en cuenta el envejecimiento de los descargadores y los efectos de la distancia.
| BIL del equipo (kV pico) | LIPL máximo aceptable (kV pico) | Margen resultante |
|---|---|---|
| 75 | ≤60 | 25% |
| 95 | ≤76 | 25% |
| 125 | ≤100 | 25% |
| 170 | ≤136 | 25% |
Una tensión residual más baja proporciona una mejor protección, pero normalmente requiere un tamaño físico mayor y un coste más elevado. Para aplicaciones de distribución que protegen equipos BIL de 95 kV, seleccionar un descargador con LIPL de 70 kV (margen de 36%) en lugar de 76 kV (margen de 25%) puede no justificar el sobrecoste.
La clasificación energética cuantifica cuántos julios puede absorber el pararrayos sin que se produzca un fallo térmico. Este parámetro resulta crítico para aplicaciones que van más allá de la protección básica contra rayos: la conmutación de bancos de condensadores, la energización de cables y los sistemas con alta densidad de descargas de rayos imponen importantes demandas de energía.
La norma IEC 60099-4 clasifica la capacidad energética a través de múltiples métricas:
Clase de descarga de la línea (Clase 1-5): Define la capacidad para hacer frente a eventos de descarga de la línea de transmisión. La clase 2 es adecuada para la mayoría de las aplicaciones de distribución; la clase 3-4 se aplica a la protección de subestaciones y a la conmutación de condensadores.
Calificación energética térmica (kJ/kV de Ur): Energía total que el descargador puede absorber en un intervalo de tiempo definido sin superar los límites de estabilidad térmica.
Índice de transferencia de carga (culombios): Enfoque de clasificación más reciente que capta tanto el manejo de corrientes de impulso como de larga duración.
| Solicitud | Clase recomendada | Energía típica (kJ/kV Ur) |
|---|---|---|
| Alimentador de distribución de MT | Clase 2 | 2.5-4.0 |
| Protección de transformadores de subestación | Clase 3 | 4.5-6.0 |
| Batería de condensadores / reactor de derivación | Clase 3-4 | 6.0-8.0 |
| Terminación de cables largos | Clase 3 | 5.0-7.0 |
La absorción de energía depende del tamaño del grano de ZnO y de las concentraciones de dopante. Los materiales MOV de calidad absorben una energía específica de 150-200 J/cm³. El tamaño físico está directamente relacionado con la capacidad energética: los descargadores de clase estación con discos de 100 mm de diámetro absorben mucha más energía que las unidades de clase distribución con discos de 40-60 mm.
La prueba de estabilidad térmica por IEC 60099-4 verifica que, tras la inyección de energía nominal, el descargador vuelve a niveles estables de corriente de fuga sin desbordamiento térmico. Esta prueba simula las condiciones de campo más desfavorables, en las que se producen múltiples sobretensiones antes de que el descargador se enfríe por completo.
[Opinión del experto: Consideraciones sobre el terreno de la calificación energética].
- Los transformadores conectados por cable pueden generar energías de conmutación de 6-8 kJ/kV durante la energización; los descargadores de distribución estándar pueden resultar inadecuados.
- Las regiones con alta densidad de relámpagos (>8 relámpagos/km²/año) requieren clasificaciones energéticas mejoradas para sucesos con múltiples relámpagos.
- Las instalaciones de baterías de condensadores imponen un estrés energético repetitivo; el envejecimiento térmico acumulado acelera el fallo
- En caso de duda, especifique una clase superior a la que sugieren los cálculos: el sobrecoste es mínimo en comparación con los costes de sustitución.
Consideremos un sistema industrial sin conexión a tierra de 12 kV que protege un transformador sumergido en aceite BIL de 170 kV.
Paso 1: Determinar la tensión máxima del sistema
Um = 12 kV (no 10 kV nominales)
Paso 2: Identificar la configuración de la toma de tierra
Sistema sin conexión a tierra → las fases sanas alcanzan la tensión de línea completa durante las faltas a tierra.
Paso 3: Calcular el MCOV mínimo
MCOV ≥ Um × 1,05 = 12 × 1,05 = 12,6 kV
Seleccione descargador con MCOV ≥ 12,7 kV (clasificación estándar).
Paso 4: Comprobar la tensión residual
Descargador seleccionado: LIPL a 10 kA = 42 kV pico
Paso 5: Verificar el margen de protección
Margen = [(170 - 42) / 42] × 100 = 305%
Supera con creces el ✓ mínimo de 20%
Paso 6: Evaluar las necesidades energéticas
Alimentador de distribución estándar, sin baterías de condensadores, región de rayos moderada
Clase 2 suficiente (≥3,0 kJ/kV Ur)
Especificación final:
Montaje del pararrayos en aislantes de poste deben mantener distancias coherentes con el BIL del sistema. La longitud del cable entre los terminales del descargador y el equipo protegido afecta al nivel de protección real: mantenga las conexiones por debajo de 1 metro siempre que sea posible.
Los valores nominales de laboratorio se basan en condiciones estándar: altitud inferior a 1.000 m, temperatura ambiente de 20 °C y superficie de la carcasa limpia. Las instalaciones reales rara vez se ajustan a estos supuestos.
Reducción de altitud: Por encima de los 1000 m, la reducción de la densidad del aire disminuye la tensión de inflamación externa en aproximadamente 1% por cada 100 m. A 2000 m de altitud, considere la posibilidad de seleccionar la siguiente clase de tensión o especificar carcasas de polímero con líneas de fuga ampliadas.
Gravedad de la contaminación: La norma IEC 60815 define las clases de contaminación de “muy ligera” a “muy pesada”. Los depósitos de contaminación en las carcasas de los descargadores reducen el margen de flameo. Las carcasas de polímero superan a las de porcelana en el caso de contaminación intensa, ya que su superficie hidrófoba repele la contaminación y mantiene una mayor resistencia a la inflamación. Especifique una distancia de fuga ≥25 mm/kV para entornos muy contaminados.
Temperaturas extremas: Los descargadores estándar funcionan entre -40°C y +40°C ambiente. Las temperaturas más altas aceleran el envejecimiento del MOV; las temperaturas más bajas afectan a la flexibilidad de la carcasa de polímero. Verifique las especificaciones del fabricante para instalaciones en climas extremos.
Selección del material de la carcasa:
Integración del seccionador: Los descargadores de distribución suelen incluir seccionadores integrados que aíslan las unidades averiadas y proporcionan una indicación visual. Útiles cuando los intervalos de inspección superan un año. El seccionador se activa cuando la corriente de defecto sostenida funde un elemento fusible tras el fallo del descargador.
Los descargadores de sobretensiones funcionan dentro de un esquema más amplio de coordinación del aislamiento. Una protección adecuada requiere que los niveles de protección de los descargadores coincidan con la resistencia del aislamiento de los transformadores, disyuntores e interruptores. componentes de aparatos de conexión en todo el sistema.
XBRELE fabrica disyuntores de vacío, contactores de vacío y componentes de aparamenta de media tensión diseñados para sistemas de hasta 40,5 kV. Nuestro equipo de ingeniería realiza análisis de coordinación de aislamiento, lo que ayuda a adaptar los valores nominales de los VCB y las especificaciones de los componentes a sus requisitos de protección contra sobretensiones.
Tanto si está especificando nuevas subestaciones como actualizando los esquemas de protección existentes, contactar con XBRELE para consultas técnicas. Proporcionamos hojas de datos de coordinación detalladas y podemos recomendar los valores BIL adecuados para los equipos que funcionan junto con los descargadores de sobretensiones seleccionados.
¿Cuáles son las causas de fallo de los descargadores de sobretensión, incluso cuando los valores nominales parecen correctos?
La mayoría de los fallos de campo se deben a problemas de instalación más que a errores de clasificación. La longitud excesiva de los conductores aumenta la caída de tensión durante las sobretensiones: cada metro de conductor contribuye con aproximadamente 1 kV durante los impulsos de frente pronunciado. Una impedancia de tierra superior a 5 Ω eleva la tensión de bloqueo efectiva, reduciendo los márgenes de protección por debajo de los umbrales de seguridad.
¿Cómo afecta la configuración de la toma de tierra a la selección del MCOV?
Los sistemas sin conexión a tierra y con conexión a tierra resonante requieren un MCOV igual o superior a la tensión completa de línea a línea porque las fases sanas mantienen una tensión elevada durante toda la duración de la falta a tierra. Los sistemas sólidamente conectados a tierra sólo necesitan tensión de línea a neutro más margen, ya que la eliminación de la falta se produce en ciclos.
¿Pueden los descargadores de distribución proteger los equipos de las subestaciones?
Los descargadores de clase de distribución (normalmente de clase 2) carecen de la suficiente absorción de energía para aplicaciones de entrada a subestaciones, donde las sobretensiones de conmutación y los rayos de varias descargas imponen una mayor tensión térmica. Los descargadores de clase estación (clase 3 o superior) suelen ser necesarios para la protección de transformadores y barras.
¿Por qué predominan los descargadores con carcasa de polímero en las nuevas instalaciones?
Las carcasas de polímero ofrecen tres ventajas: menor peso que reduce la tensión mecánica en las estructuras de montaje, rendimiento superior en entornos contaminados gracias a las propiedades hidrófobas de la superficie y modo de fallo sin fragmentación que elimina los riesgos de metralla de porcelana en caso de fallo catastrófico.
¿Con qué frecuencia deben probarse o sustituirse los descargadores de sobretensión?
La inspección visual anual detecta daños evidentes: carcasas agrietadas, funcionamiento del seccionador o marcas de quemaduras. La medición de la corriente de fuga cada 3-5 años proporciona una evaluación cuantitativa del estado. Los descargadores bien seleccionados en entornos moderados suelen alcanzar los 20-25 años de vida útil; los entornos con alta iluminación o contaminados pueden reducirla a 12-15 años.
¿Cuál es la relación entre la tensión residual y la corriente de descarga?
La tensión residual aumenta con la magnitud de la corriente de descarga debido a las características de resistencia del MOV. Una sobretensión de 10 kA produce una tensión de bloqueo mayor que una sobretensión de 5 kA a través del mismo descargador. Los fabricantes especifican la tensión residual en varios niveles de corriente (normalmente 5 kA, 10 kA, 20 kA) para permitir cálculos de coordinación precisos.
¿Importa la ubicación del descargador en una subestación?
Los frentes de onda de tensión viajan a aproximadamente 300 m/μs, lo que provoca una degradación de la protección dependiente de la distancia. Los equipos situados a más de 8-10 metros del descargador experimentan una mayor tensión debido a las reflexiones de las ondas viajeras. Cada activo crítico -transformadores, disyuntores, terminaciones de cables- se beneficia de una protección específica contra sobretensiones cuando la separación física supera estos límites.
