Los sistemas de energía eléctrica están sujetos a sobrevoltajes internos y externos que pueden dar lugar a altos voltajes temporales. Los sobrevoltajes temporales ocurren en los sistemas de energía por una variedad de razones tales como fallas, operación de interruptores y descargas atmosféricas (rayos). Sin comparación, los sobrevoltajes más severos son los que resultan de las descargas atmosféricas que inciden en el sistema de energía. Es posible que los sobrevoltajes puedan ser muy altos y den lugar a fallas del aislamiento del aparato de energía con resultados destructivos. Es por tanto imperativo que se diseñen los sistemas de ener gía de tal manera que los sobrevoltajes esperados queden debajo de la capacidad de soporte del aislamiento del aparato de energía. Muchas veces, este requisito básico se traduce en un costo excesivo. Por esta razón, se busca una solución de compromiso en la que los sistemas de energía se diseñen, de tal manera que se pueda hacer mínima la posibilidad de falla destructiva del aparato de energía debida a sobrevoltajes. Este procedimiento se basa en la coordinación de los sobrevoltajes esperados con la capacidad de soporte del aparato de energía.

El apartarrayos presenta el principal elemento para la coordinación de aislamiento en las subestaciones eléctricas estableciendo una correlación entre sus características de protección y los niveles básicos de aislamiento de los equipos por proteger, con particular referencia a los aislamientos internos.

Las sobretensiones que se presentan en las instalaciones de un sistema pueden ser de dos tipos:

1. sobretensiones de tipo atmosférico. 2. sobretensiones por fallas en el sistema.

El apartarrayos es un dispositivo que nos permite proteger las instalaciones contra sobretensiones de tipo atmosférico.

Las ondas que presentan durante una descarga atmosférica viajan a la velocidad de la luz y dañan al equipo si no se tiene protegido correctamente; para la protección del mismo se deben tomar en cuenta los siguientes aspectos:

1. descargas directas sobre la instalación 2. descargas indirectas

De los casos anteriores el más interesante, por presentarse con mayor frecuencia, es el de las descargas indirectas.

Los pararrayos o puntas de descarga son dispositivos de protección para la subestación y de toda la instalación en general contra descargas atmosféricas. Consisten en una varilla de material conductor con terminación en punta. Estas varillas se conectan a la red de tierras. El método de los pararrayos es que al existir descargas en la atmósfera, proporcionarles un camino de muy baja impedancia a fin de que se garantice que en caso de ocurrir una descarga, ésta se vaya a tierra a través de las puntas y no a través de otros elementos en donde pudieran ocurrir desgracias que lamentar.

Su principio general de operación se basa en la formación de un arco eléctrico entre dos explosores cuya operación está determinada de antemano de acuerdo a la tensión a la que va a operar.

Cada apartarrayos se encuentra normalmente abierto y se encuentra calibrado para que a partir de cierta tensión entre línea y tierra se cierre automáticamente y filtre los frentes de onda. Esto se hace con un circuito de resistencia variable, con tensión, de los elementos dependiendo de la naturaleza de éstos. Al desaparecer la sobretensión el apartarrayos vuelve a la posición de abierto.

La función del apartarrayos no es eliminar las ondas de sobretensión presentadas durante las descargas atmosféricas, sino limitar su magnitud a valores que no sean perjudiciales para las máquinas del sistema.

Las ondas que normalmente se presentan son de 1.5 a 1 microsegundos. (Tiempo de frente de onda). La función del apartarrayos es cortar su valor máximo de onda (aplanar la onda).

Las sobretensiones originadas por descargas indirectas se deben a que se almacenan sobre las líneas cargas electrostáticas que al ocurrir la descarga se parten en dos y viajan en ambos sentidos de la línea a la velocidad de la luz.

Los apartarrayos protegen también a las instalaciones contra descargas directas, para lo cual tiene un cierto radio de protección. Para mayor seguridad a las instalaciones contra las cargas directas se instalan unas varillas conocidas como bayonetas e hilos de guarda semejantes a los que se colocan en las líneas de transmisión.

La tensión a que operan los apartarrayos se conoce técnicamente como tensión de cebado del apartarrayos.

Se fabrican diferentes tipos de apartarrayos, basados en el principio general de operación; por ejemplo: los más empleados son los conocidos como “apartarrayos tipo autovalvular” y “apartarrayos de resistencia variable”.

El apartarrayos tipo autovalvular consiste de varias chapas de explosores conectados en serie por medio de resistencias variable cuya función es dar una operación más sensible y precisa. Se emplea en los sistemas que operan a grandes tensiones, ya que representa una gran seguridad de operación.

El apartarrayos de resistencia variable funda su principio de operación en el principio general, es decir, con dos explosores, y se conecta en serie a una resistencia variable. Se emplea en tensiones medianas y tiene mucha aceptación en el sistema de distribución.

Cada apartarrayos se encuentra normalmente abierto y se encuentra calibrado para que a partir de cierta tensión entre línea y tierra se cierre automáticamente y filtre los frentes de onda. Esto de hace con un circuito de resistencia variable, con tensión, de los elementos dependiendo de la naturaleza de éstos. Al desaparecer la sobretensión el apartarrayos vuelve a la posición de abierto.

Deben instalarse apartarrayos en plantas industriales, especialmente en lugares donde las tormentas son frecuentes y de gran intensidad. Su instalación, tanto para proteger al equipo de la subestación como al equipo de utilización, puede hacerse tanto en el exterior como en el interior del local que contiene al equipo que se va a proteger, tan cerca de éste como sea factible, tomando en cuenta que deben estar fuera de pasillos y alejados de otro equipo, así como de partes combustibles del edificio. Además, deben resguardarse, ya sea por su elevación o por su localización, en sitios inaccesibles a personas no idóneas, o bien, protegidos por defensas o barandales adecuados.

Clasificaciones Hay cuatro clasificaciones de los pararrayos. Ellos son:1. Clase estación. Estos pararrayos están diseñados para la protección de los equipos que pueden estar expuestos a la energía significativa debido a la apertura-cierre de las líneas eléctricas y en los lugares donde está disponible corriente de falla de gran magnitud . Tienen un rendimiento eléctrico superior porque sus capacidades de absorción de energía son mayores, las tensiones de descarga (niveles de  protecciones) son más bajos y el alivio de la presión es mayor. El valor del equipo

protegido y la importancia de la continuidad del servicio en general, justifican el uso de pararrayos de apartarrayos clase estación a través de su rango de tensión. 

2. Clase intermedia.  Estos pararrayos están diseñados para proporcionar protección económica y fiable de los equipos eléctricos de media tensión. Los apartarrayos clase intermedia son una excelente opción para la protección de transformadores tipo seco, para su uso en la apertura-cierre y seccionamiento de equipo y para la protección de los cables URD. Las aplicaciones tradicionales incluyen la protección de equipos en el rango de 1 a 20 MVA para las subestaciones y máquinas rotativas.

3. Clase distribución (trabajo pesado, normal, y ligero). Estos apartarrayos se utilizan con frecuencia para pequeños transformadores  enfriados por aceite y y tipo seco de 1000 kVA  menores. Estos apartarrayos también se puede utilizar, si están disponibles en el voltaje adecuado, para su aplicación en las terminales de máquinas rotativas por debajo de 1000 kVA. El apartarrayos tipo distribución se utiliza a menudo en líneas expuestas que están directamente conectados a las máquinas rotativas.   La clase de distribución tiene varias clasificaciones de clase (pesado, normal y ligero), que dependen de la severidad de prueba. Los del tipo clase pesado son más duraderos y con características de menores niveles de protección. 

4. Clase secundario (para tensiones de 999V o menos). 

La construcción de los apartarrayos pueden ser de polímero o porcelana.  

Apartarrayostipo pesado

Apartarrayosclase distribución

Apartarrayos clase secundario

Para que protejan adecuadamente, los apartarrayos deben cumplir las siguientes funciones:1. No deben permitir el paso de corriente a tierra, cuando la tensión sea normal.

2. Cuando el voltaje se eleva a una cantidad definida, deben proporcionar un camino a tierra para disipar la energía transitoria sin que haya un aumento en el voltaje del circuito.

3. Tan pronto como la tensión se ha reducido por debajo del ajuste del apartarrayos, el apartarrayos debe detener el flujo de corriente a tierra y sellarse para aislar el conductor de tierra.

4. Los pararrayos no deben ser dañados por las descargas y debe ser capaz de repetir automáticamente su acción con tanta frecuencia como se requiera.

Apartarrayos tipo estación. 

Son utilizados en subestaciones de gran potencia, líneas de transmisión importantes en el país y se encuentran hasta los 468 kv. Estos también existen poliméricos y de porcelana cada uno con sus ventajas y

desventajas. 

Apartarrayos media tensión. 

Son utilizados en subestaciones de pequeña tensión y para líneas de transmisión con rangos hasta los 144 Kv. Tenemos disponibilidad tipo poliméricos y tipo porcelana. 

Apartarrayos tipo distribución. 

La función básica del apartarrayos es proteger las instalaciones eléctricas de media tensión principalmente los transformadores, cuando en la línea se produce una sobretensión que puede ser debida a la incidencia de descargas atmosféricas o a efectos transitorios.

Apartarrayos de secundario. 

Los apartarrayos secundarios son utilizados en líneas de baja tensión, colocados en las cajas de distribución de los edificios

Tipos de apartarrayos

1. ADOM (APARTARRAYO DE ÓXIDOS METÁLICOS)

El ADOM está conformado por elementos que sujetan a la cruceta por medio de un perno roscado de hierro galvanizado. El conjunto sirve además como soporte mecánico de ailsador tipo alfiler con el que conforma el sistema de protección.

CARACTERÍSTICAS ELECTROMECÁNICAS

CONFIABILIDAD DEL ADOM

El Alfiler ADOM se ha evaluado de acuerdo con las normas internacionales con excelentes resultados, entre ellos:

La caracterización del elemento óxido de zinc se efectuó mediante la curva de tensión-corriente de fuga. Como conjunto, la extinción del arco de potencia ocurre antes de dos milisegundos (1/8 ciclo). De acuerdo con el draft 3 de ANSI/IEEE PC62.11 (1992) se realizaron pruebas de aguante al impulso de corriente y sobretensión temporal (TOV). Las pruebas de aguante al impulso de corriente comprenden impulsos de baja corriente larga duración (BCLD) e impulsos de alta corriente corta duración (ACCD). Estas pruebas permiten evaluar el diseño mecánico, eléctrico y térmico del apartarrayos. Se evaluaron según IEC 99-4, presentando excelentes resultados en la prueba del Ciclo de Operación, demostrándose además una estabilidad térmica excepcional.

Finalmente y bajo la misma norma, se realizaron mediciones de Descargas Parciales, sin registrarse descarga alguna (valores de cero descargas a voltaje nominal). Los alfileres ADOM cumplen con la especificación CFE 52000-05.

2.ALEA (APARTARRAYO DE LÍNEA CON ENTREHIERRO EN AIRE)

El ALEA está conformado por elementos resistivos no lineales (varistores de óxido de zinc) de 5 ó 10 kA; Encapsulados en Concreto Polimérico y herrajes de aluminio para su instalación (incluidos). A diferencia del Alfiler ADOM, este tipo de apartarrayos no se instala como soporte mecánico del aislador (se coloca en paralelo con el aislador) por lo que se puede instalar con cualquier tipo de aislamiento (tipo alfiler, PD o PC)

CARACTERÍSTICAS ELECTROMECÁNICAS

CONFIABILIDAD DEL ALEA

Mecánicamente, el ALEA soporta > 200 kg ya que este equipo no soporta mecánicamente al aislador como en el caso del Alfiler ADOM por lo que en caso de presentar alguna falla, éste no provocará falla permanente; además de que no está conectado al sistema. El material utilizado para su fabricación (Concreto Polimérico) es un material aislante de uso ante la intemperie y no se fragmenta o proyecta partículas en caso de falla del apartarrayo; además de eliminar (por su proceso de encapsulamiento) la falla por absorción de humedad. El ALEA cumple con la Esp. CFE 52000-66 y la IEC 99-4, mostrando además excelente desempeño en la prueba denominada de Descargas Parciales. En el caso de ALEA 69 a 138 además se encapsula en una envolvente de Hule Silicón mostrando excelente desempeño en zonas con alta densidad de contaminación o zonas costeras.

3.ABT (APARTARRAYO DE BAJA TENSIÓN)

El ABT está conformado por elementos resistivos no lineales (varistores de óxido de zinc) de 10 kA encapsulados en Concreto Polimérico, con herrajes de latón y tornillería de Ac. Inoxidable para su fijación al equipo a proteger

Como alternativa de solución técnico-económica, MAPPEC desarrolló el Apartarrayo de Baja Tensión, para protección de equipos y transformadores (bobina del secundario).En este último caso, se conectan directamente a la boquilla del secundario, a través del herraje de fijación y su conexión a tierra es por medio de tornillería de Ac. Inoxidable.

CARACTERÍSTICAS ELECTROMECÁNICAS

CONFIABILIDAD DEL ABT

Este tipo de apartarrayos sí se conecta de manera permanente al sistema, pero en baja tensión ya que permite proteger al transformador por el secundario (bobina de baja tensión), evitando su falla por inducidos o sobrevoltajes en circuitos de baja tensión. Su mecanismo de falla permite evitar el uso de desconectador ya que sólo se divide en dos partes sin desprender o proyectar fragmentos de material (sin dañar boquilla o equipo instalado en el transformador). El ABT permite drenar sobrevoltajes desde 130 V.

4.AICP (APARTARRAYO INTEGRADO EN CONCRETO POLIMÉRICO)

El Apartarrayo Integrado en Concreto Polimérico (AICP) es un modelo diseñado expresamente para los sistemas de 23 kV de LFC.

iSe instala como soporte mecánico del Aislador tipo Alfiler 56-3 y con el cuerno de arqueo móvil (para ajustar el nivel de protección según el nmsm).

CARACTERÍSTICAS ELECTROMECÁNICAS

CONFIABILIDAD DEL AICP

Este tipo de apartarrayos se desarrolló considerando que algunos sistemas de 23 kV están sobre-aislados a 34.5 kV, permitiendo su acoplamiento con el aislador tipo Alfiler 56-3.

El cuerno de arqueo es móvil para permitir ajustar el margen de protección requerido según el nivel de altura sobre el nivel del mar donde se instalara.

Mecánicamente soporta > 400 kg, suficiente para soportar el peso y esfuerzos mecánicos provocados por el conductor. Cumple con la Esp. LFC-GDD-018 e IEC 99-4, mostrando excelente desempeño en prueba de descargas parciales y absorción de humedad

INSTITUTO TECNOLOGICO DE NUEVO LEON

Trabajo: Apartarrayos en las líneas de trasmisión

Nombre: Sergio Cortez Alcantar

# Control: 09480619

Materia: Sistemas eléctric