¿Cómo protegen los pararrayos los equipos eléctricos?

Principio de funcionamiento del pararrayos: protección contra sobretensiones activada por tensión

Activación basada en umbral: aislamiento bajo tensión normal, conducción durante sobretensiones

Los pararrayos funcionan de forma similar a interruptores inteligentes que tienen dos modos principales de operación. Cuando todo funciona normalmente, a o por debajo del 100 % de su valor nominal, los componentes internos consisten principalmente en esos discos de varistores de óxido metálico que denominamos MOV (varistores de óxido metálico). Estos componentes presentan niveles de resistencia muy elevados, del orden de más de 1 millón de ohmios, lo que significa, básicamente, que actúan como buenos aislantes, impidiendo que cualquier corriente fluya hacia tierra. Esto ayuda a reducir las pérdidas de potencia y evita interferencias cuando el sistema está estable. Sin embargo, si se produce un pico repentino de tensión —causado, por ejemplo, por una descarga atmosférica o por maniobras de conmutación— que supere su punto de activación cuidadosamente ajustado (normalmente entre un 20 % y un 40 % por encima de los niveles de tensión habituales), el pararrayos entra en acción casi instantáneamente, en cuestión de milmillonésimas de segundo. En ese momento, crea una ruta de resistencia extremadamente baja hacia la tierra, a veces inferior a un ohmio, desviando corrientes de sobretensión masivas —que pueden superar ampliamente los 100 000 amperios— lejos del equipo que requiere protección. Una vez que el pico de tensión ha pasado y el sistema vuelve a su funcionamiento habitual, el pararrayos se reinicia automáticamente al modo de alta resistencia. Esta capacidad de reinicio automático lo mantiene siempre listo para actuar, sin verse afectado por las fluctuaciones cotidianas de tensión, y, lo que es fundamental, se activa mucho antes de que el equipo conectado pueda resultar dañado al alcanzar sus límites máximos de aislamiento.

Tecnología de varistores de óxido metálico (MOV) y características no lineales V-I

Los pararrayos actuales dependen en gran medida de la tecnología de varistores de óxido metálico (MOV), basada en discos cerámicos de óxido de cinc (ZnO) sinterizados, mezclados con óxido de bismuto y diversos otros compuestos metálicos. Lo que hace especiales a estos materiales es su capacidad para generar esa relación no lineal crucial entre tensión y corriente, necesaria para una protección eficaz contra sobretensiones. En condiciones normales de funcionamiento, la corriente de fuga permanece muy baja, frecuentemente por debajo de 1 miliamperio, ya que el material se comporta como si tuviera una resistencia casi infinita. Sin embargo, ante un pico de tensión, los electrones comienzan a desplazarse a través de las diminutas intersticios entre los granos de ZnO, provocando una caída drástica de la resistencia. Esto permite que grandes cantidades de corriente circulen, manteniendo al mismo tiempo el nivel de tensión estrictamente controlado. La curva de rendimiento de estos materiales es mucho más empinada en comparación con opciones anteriores, como los pararrayos de carburo de silicio o los de tipo con separación (gap-type), con exponentes típicos que oscilan entre 30 y 50. Esta característica permite que los pararrayos basados en MOV ofrezcan una protección superior contra sobretensiones eléctricas en los sistemas eléctricos modernos.

• Tiempos de respuesta inferiores a 25 ns
• Relaciones de limitación de tensión de 2:1 a 3:1
• Capacidad de absorción de energía superior a 20 kJ por disco

Su microestructura autorreparable soporta repetidos eventos de sobretensión sin degradación permanente, garantizando una coordinación a largo plazo con los niveles básicos de aislamiento (BIL) del equipo.

Derivación de sobretensiones y gestión de la ruta a tierra

Creación de una ruta de baja impedancia a tierra para corrientes transitorias

Una buena protección contra sobretensiones depende realmente de crear una conexión fuerte y de baja impedancia entre el pararrayos y tierra. Idealmente, la resistencia de puesta a tierra debería mantenerse por debajo de 1 ohmio para cada conductor de bajada. Cuando ocurren descargas atmosféricas o sobretensiones, esta configuración mantiene bajo control las sobretensiones al reducir el valor de la ecuación V = I × Z durante los eventos de descarga. Sin una puesta a tierra adecuada, los equipos pueden verse expuestos a diferencias peligrosas de tensión que dañan los componentes con el paso del tiempo. Todos los elementos metálicos también deben estar interconectados: los depósitos de los transformadores, esas grandes cajas de interruptores automáticos, los aisladores (bushings), e incluso el acero estructural deben conectarse a una única malla de tierra con baja impedancia. Los sistemas que carecen de este tipo de puesta a tierra coordinada suelen fallar aproximadamente un 20 % más a menudo debido a sobretensiones. ¿Por qué? Los gradientes de tensión no controlados provocan descargas disruptivas (flashovers) y generan tensiones mecánicas en los materiales aislantes. Recuerde que, cuando las corrientes transitorias se presentan, siguen el camino que ofrece menor resistencia, no necesariamente el más corto. Por lo tanto, la puesta a tierra no es simplemente una característica deseable: es absolutamente esencial para que cualquier sistema de pararrayos funcione correctamente.

Disipación de energía sin descontrol térmico ni sobrecarga del sistema

Los pararrayos basados en varistores de óxido metálico (MOV) funcionan absorbiendo y disipando la energía de sobretensión mediante un proceso denominado conducción controlada, que puede invertirse según sea necesario, y ya no requieren esos obsoletos espacios de sacrificio ni mecanismos de liberación de gas. Lo que hace que estos dispositivos sean tan eficaces son sus características de resistencia no lineal, que les permiten conmutar rápidamente entre comportarse como aislantes y como conductores. Esto ayuda a mantener bajas las tensiones residuales, incluso ante sobrecorrientes masivas medidas en miles de amperios. Asimismo, las consideraciones térmicas están integradas directamente en el diseño de estos pararrayos: al absorber energía, el calor se distribuye uniformemente a lo largo de la estructura compuesta del disco y de la carcasa exterior, en lugar de concentrarse en un punto único, lo que evita la formación de zonas calientes o, en casos extremos, el descontrol térmico. Los datos de campo del EPRI indican que las unidades correctamente dimensionadas e instaladas reducen las averías de equipos aproximadamente en dos tercios en aplicaciones reales. ¿Cuál es la razón de esta fiabilidad? Estos pararrayos operan la mayor parte del tiempo dentro de los límites de temperatura seguros, protegiendo así componentes críticos aguas abajo, como transformadores y equipos de conmutación, sin añadir carga adicional al propio sistema eléctrico.

Tensión residual y coordinación del aislamiento para una protección fiable

Alineación de la tensión residual del pararrayos con las clasificaciones BIL del equipo

El voltaje residual, que es básicamente el voltaje más alto que medimos a través de los terminales de ese pararrayos durante la descarga de una sobretensión, destaca como probablemente el factor más importante al coordinar los sistemas de aislamiento. Para proteger adecuadamente los equipos, este valor debe mantenerse claramente por debajo del nivel básico de aislamiento (BIL, por sus siglas en inglés) correspondiente a los dispositivos conectados. Según investigaciones del EPRI, una vez que el voltaje residual supera aproximadamente el 85 % de dicho umbral BIL, el riesgo comienza a aumentar rápidamente. De hecho, los datos indican un incremento del 72 % en fallos dieléctricos únicamente en los devanados de los transformadores. Los actuales pararrayos de varistores de óxido metálico (MOV) logran limitar con bastante precisión las sobretensiones gracias a técnicas mejoradas de apilamiento de discos y a métodos de gradación perfeccionados. Estos avances ayudan a mantener voltajes residuales consistentes incluso ante niveles de corriente muy elevados. Lograr esta coordinación adecuada implica prestar atención a varios aspectos fundamentales del proceso.

• Confirmar que el voltaje residual máximo (a la corriente de descarga nominal) es el 85 % del BIL del equipo
• Tener en cuenta el aumento inductivo del voltaje a lo largo de los conductores de puesta a tierra, especialmente en sobretensiones con alta tasa de variación de corriente (di/dt)
• Volver a validar los márgenes tras actualizaciones del sistema o cambios en los niveles de cortocircuito

Este enfoque disciplinado evita fallos catastróficos del aislamiento, evitando así interrupciones en subestaciones que pueden suponer costes superiores a 500 000 USD por reparaciones, tiempo de inactividad y daños colaterales.

Aplicación en la práctica: Protección de transformadores, interruptores automáticos y subestaciones

Los pararrayos actúan como el escudo principal de los sistemas eléctricos vitales, desviando la energía de sobretensión dañina lejos de los componentes delicados antes de que se produzca algún daño. Al trabajar con transformadores, especialmente los llenos de aceite, los instaladores colocan los pararrayos justo al lado de los bornes de alta tensión para proteger el aislamiento de los devanados. Sin una protección adecuada, las sobretensiones eléctricas repentinas pueden provocar fallos catastróficos en estos equipos debido a esas picos agudos de tensión. Los interruptores automáticos representan otro desafío, ya que generan sobretensiones de conmutación al interrumpir el flujo de corriente. Los pararrayos ayudan limitando estos picos de tensión, que de lo contrario acelerarían el desgaste de los contactos o alterarían la extinción adecuada de los arcos. En subestaciones completas, los ingenieros ubican los pararrayos en diversos puntos, incluidas las entradas de alimentación, las conexiones en los barras colectoras y las zonas próximas a equipos importantes, formando así múltiples capas de protección. Este enfoque evita que las sobretensiones se propaguen entre dispositivos conectados y, según estudios de la IEEE, reduce los fallos de transformadores aproximadamente un 40 % en zonas muy afectadas por descargas atmosféricas. Un principio básico también guía las decisiones de instalación: el pararrayo debe ubicarse más cerca del equipo que protege que de cualquier otro punto por donde podrían ingresar las sobretensiones, de modo que la corriente eléctrica siga naturalmente la ruta de menor impedancia a través del pararrayo, en lugar de dañar los materiales aislantes.

Preguntas frecuentes sobre pararrayos

¿Qué es un pararrayos?

Un pararrayos es un dispositivo utilizado en los sistemas eléctricos de potencia para proteger los equipos frente a sobretensiones elevadas causadas por descargas atmosféricas o eventos de conmutación. Lo hace proporcionando una ruta de baja resistencia hacia tierra, desviando de forma segura cualquier corriente eléctrica excesiva lejos de los componentes sensibles.

¿Cómo funcionan los pararrayos?

Los pararrayos funcionan permaneciendo en un estado de alta resistencia durante las condiciones normales de tensión, actuando así como aislantes. Cuando las sobretensiones superan un umbral predeterminado, el pararrayos cambia rápidamente a un estado de baja resistencia, canalizando eficazmente las altas corrientes hacia tierra y protegiendo así el sistema.

¿Cuál es la función del varistor de óxido metálico (MOV) en los pararrayos?

Los varistores de óxido metálico, o VOM, desempeñan un papel fundamental en los pararrayos gracias a sus características no lineales de tensión-corriente. En condiciones normales de funcionamiento, presentan una alta resistencia y una baja corriente de fuga. Durante eventos de sobretensión, su resistencia disminuye significativamente, permitiendo el paso de grandes corrientes y protegiendo así los equipos frente a niveles excesivos de tensión.

¿Por qué es importante la puesta a tierra para los pararrayos?

La puesta a tierra es fundamental para garantizar que el pararrayos pueda conducir de forma segura las corrientes de sobretensión hacia la tierra. Las vías de puesta a tierra de baja impedancia minimizan los posibles daños en los equipos al evitar picos de tensión y reducir las peligrosas diferencias de potencial entre los componentes.