Protección contra sobretensiones en transformadores: cómo seleccionar pararrayos para sobretensiones provocadas por rayos y maniobras de conmutación

Un capataz de servicios públicos en el sur de Luzón nos envió por correo electrónico una fotografía el pasado agosto de una instalación que parecía perfectamente normal el día en que se aprobó: un transformador montado sobre pedestal de 13,8 kV, un nuevo supresor de sobretensiones de polímero en su soporte y pintura fresca. Dos detalles no figuraban en la especificación original: cuatro pies de cable de plomo enrollado entre el terminal del supresor y el depósito, y un conductor de tierra que volvía a través del soporte de montaje en lugar de descender directamente hasta la placa de tierra. Tres semanas después, un rayo impactó en la línea alimentadora. El supresor sobrevivió sin ninguna marca. El devanado primario no lo hizo.

Qué hace un supresor de sobretensiones —y qué no puede hacer

Un moderno protección contra sobretensiones para transformadores el esquema se basa en un varistor de óxido metálico sin espacio. Por debajo de su tensión de referencia, el varistor se comporta como un circuito abierto y consume microamperios. Por encima de dicha tensión, su resistencia colapsa, el supresor desvía la corriente de sobretensión a tierra y vuelve a un estado de alta impedancia mucho antes del siguiente semiciclo. IEEE C62.11-2020 define el propio dispositivo, abarcando los pararrayos de óxido metálico para circuitos de 48 a 62 Hz por encima de 1 000 V que limitan las sobretensiones provocadas por rayos y maniobras al conducir la corriente de descarga y luego limitar automáticamente el flujo de corriente de potencia del sistema. Se trata de una norma vigente, publicada en septiembre de 2020.

El pararrayos no absorbe la sobretensión; la limita. Lo que realmente experimenta el devanado es el voltaje de descarga del pararrayos. además el voltaje que la sobretensión desarrolla a lo largo del conductor que va desde el terminal del pararrayos hasta el punto que protege. Ambos términos son reales. Solo el segundo puede modificarse aún con una llave el día de la instalación.

Un pararrayos perfectamente seleccionado puede seguir siendo un pararrayos mal aplicado. La selección y la conexión son dos tareas distintas, y normalmente los compradores delegan solo una de ellas.

 

 

La protección contra sobretensiones en transformadores comienza con el MCOV, no con el kV nominal

La mayoría de las solicitudes de cotización que llegan a nuestro departamento de ingeniería especifican un limitador de sobretensiones según su tensión nominal: «un limitador de 10 kV», «un limitador de 18 kV». Ese valor corresponde a una calificación de ciclo de servicio y, por sí solo, prácticamente no indica si el dispositivo es adecuado para su sistema. El valor que determina la aplicación es MCOV : la tensión máxima de funcionamiento continuo, es decir, la tensión eficaz más elevada que el limitador puede soportar de forma indefinida entre sus bornes sin sobrecalentarse.

La tensión máxima continua de funcionamiento (MCOV) está determinada por la conexión a tierra del sistema, no por el transformador. En un sistema con conexión efectiva a tierra, el pararrayos soporta la tensión fase-tierra durante la operación normal; por lo tanto, el requisito es la propia tensión máxima fase-tierra: 7,65 kV en un sistema multifilar de 12,47 kV con conexión a tierra múltiple. En un sistema sin conexión a tierra o con conexión a tierra mediante impedancia, una falla fase-tierra permite que las fases sin falla alcancen prácticamente la tensión máxima fase-fase; así, el criterio exige una MCOV igual o superior al 90 % de la tensión máxima fase-fase. El mismo transformador y la misma clase de tensión requieren dos tipos muy distintos de pararrayos.

Tensión nominal del sistema fase-fase (kV)	MCOV del pararrayos — sistema con conexión efectiva a tierra (kV)	MCOV del pararrayos — sistema con conexión a tierra mediante impedancia o sin conexión a tierra (kV)
4.16	2.55	5.10
12.47	7.65	15.30
13.80	8.40	15.30
24.94	15.30	29.00
34.50	22.00	No recomendado

Esas cifras provienen de los datos de aplicación de pararrayos publicados por Hubbell Power Systems y coinciden con lo observado en los sistemas de distribución norteamericanos ( Catálogo 70 de Hubbell, Pararrayos ) La consecuencia práctica merece ser enunciada con claridad. Si una especificación indica «sistema sin conexión a tierra», pero el sistema es en realidad de cuatro conductores con múltiples puestas a tierra, usted adquiere aproximadamente el doble del valor de MCOV necesario; y esto se traduce en un voltaje de descarga más elevado, que es precisamente el valor que intentaba mantener bajo.

Existe otra relación útil al leer una hoja de datos: el voltaje nominal de un pararrayos suele ser aproximadamente 1,25 veces su MCOV. Por eso un pararrayos de distribución con voltaje nominal de 10 kV tiene un MCOV de unos 8,4 kV, y por eso ambos valores varían conjuntamente al modificar la suposición sobre la puesta a tierra del mismo transformador.

 

Longitud de los conductores de conexión, puesta a tierra y el margen de protección que realmente cuenta

Aquí está la parte que la mayoría de los compradores pasan por alto. Cada pie de cable conductor entre el limitador de sobretensiones y el equipo que protege añade voltaje al aislamiento durante una sobretensión, porque la corriente debe recorrer esa distancia y regresar.

Longitud del conductor del limitador (pies)	Voltaje añadido a 10 kA (kV)	Porcentaje de un devanado con nivel de impulso básico (BIL) de 95 kV
1	1.6	1.7%
2	3.2	3.4%
4	6.4	6.7%
10	16.0	16.8%

 

 

El margen de protección es la operación aritmética que une todos estos elementos. Reste del BIL del devanado el voltaje de descarga del limitador y la contribución del conductor, luego divida el resultado entre el BIL. En un transformador de distribución de 13,8 kV, el nivel estándar de aislamiento primario es un BIL de 95 kV, y el mínimo recomendado margen de protección es del 20 por ciento. Un conductor de 10 pies consume 16 kV de esos 95 kV —casi todo el margen recomendado, incluso antes de considerar un solo kV del voltaje de descarga del limitador.

La conexión a tierra falla de la misma forma silenciosa. El conductor de tierra debe ser corto, recto y separado del soporte de montaje, conectándose a una placa específica unida al tanque y a la malla de tierra de la estación. Hacer que la trayectoria de tierra pase por los elementos de fijación del soporte introduce una unión que se corroe, se afloja y aumenta la impedancia justo en el momento en que llega la sobretensión. NFPA 780 , la Norma para la Instalación de Sistemas de Protección contra Rayos, es la edición vigente de 2026 y constituye la referencia que utilizan la mayoría de los inspectores norteamericanos. Léala antes de aprobar un diseño, no después de una falla.

 

Elección de la clase adecuada de pararrayos para el transformador que está adquiriendo

Los pararrayos se clasifican según la energía de sobretensión y la corriente de falla que están diseñados para soportar, y su clase debe corresponder a la criticidad del equipo ubicado aguas abajo —no al tamaño de la orden de compra.

Clase de pararrayos	Aplicación típica	Notas de selección
Distribución	transformadores de distribución de 12,47–34,5 kV, unidades montadas sobre pedestal y postes elevadores	corriente nominal de descarga de 10 kA. El modelo estándar es adecuado para alimentadores rurales ligeramente cargados; el modelo de alta resistencia, para instalaciones expuestas o alimentadores largos.
Intermedia	Subestaciones pequeñas, equipos de interruptores de media tensión y transformadores de más de 5 MVA	Capacidad energética superior a la clase de distribución. Se utiliza cuando los equipos protegidos son costosos y la exposición a sobretensiones es elevada.
Estación	Transformadores de clase de transmisión y subestaciones críticas	Máxima capacidad energética y soporte de corriente de cortocircuito. El comportamiento ante liberación de presión y los requisitos de coordinación están expresamente definidos en la norma IEEE C62.11.

En los transformadores montados sobre pedestal en Norteamérica, el pararrayos normalmente se fija al depósito mediante un soporte y una cubierta específicos, y el conductor de tierra se conecta a una placa soldada en la pared del depósito. Esa placa no es decorativa: representa la ruta más corta posible desde la base del pararrayos hasta el acero conectado a tierra, y es la única ruta que mantiene la contribución del conductor dentro del rango calculado por nuestros ingenieros en la etapa de cotización.

 

Tres problemas frecuentes con pararrayos que observamos repetidamente en campo

Pedimos fotografías de la instalación existente antes de cotizar una unidad de reemplazo, y siempre aparecen los mismos tres patrones.

• Cable conductor enrollado o en bucle. Un equipo que sostiene 6 pies de cable conductor y necesita 18 pulgadas de él enrollará el resto de forma ordenada a lo largo del tanque. Cada vuelta añade inductancia y voltaje. Acorte el cable conductor; no lo organice.
• Recorrido de tierra a través del soporte de montaje. Es rápido, pero es incorrecto. Los pernos del soporte no constituyen un conductor de puesta a tierra el día de la instalación, ni lo harán tras dos inviernos en un patio costero.
• Pararrayos dimensionado según la potencia en kVA del transformador, en lugar de según la puesta a tierra del sistema. La potencia nominal en kVA de la unidad no guarda relación con el valor MCOV. Sí la guarda la configuración de puesta a tierra, y esta figura como respuesta única en el plano.

Un fallo adicional se oculta dentro del primero. Un limitador de sobretensión con desconectador externo dejará caer su conductor si el limitador falla en cortocircuito, lo cual es exactamente lo que se desea; sin embargo, el desconectador requiere un entrehierro que debe mantenerse despejado. Hemos abierto armarios donde un solo hilo de alambre o un nido de insectos acumulado durante una temporada habían cerrado ese entrehierro. El limitador seguía allí, pero simplemente no protegía nada.

 

Cómo incorporamos la protección contra sobretensiones en cada pedido de transformadores

Ryan Electric fabrica transformadores desde 2007 y, desde 2023, opera como socio de empresa conjunta de Eaton. En la planta de Danyang —de 120 000 metros cuadrados, con más de 180 conjuntos de equipos de producción y ensayo, y 37 patentes— el salón de ensayos dieléctricos ejecuta tanto los ensayos rutinarios exigidos por la especificación del proyecto como los ensayos de impulso en los diseños que los requieren, y el nivel de BIL estampado en la placa de características corresponde al nivel con el que se calificó el diseño.

Cuando un pedido incluye pararrayos, determinamos el valor de MCOV a partir de la puesta a tierra del sistema que nos indiquen, listamos el soporte de montaje y la cubierta en la lista de materiales y soldamos una placa de conexión a tierra para que el instalador disponga de un punto de conexión directo, en lugar de un tornillo conveniente. En los programas UL y CSA, el soporte, la placa de conexión a tierra y la conexión equipotencial del depósito se revisan como parte del conjunto, no como accesorios para instalación en obra.

 

Qué incluir en su solicitud de cotización (RFQ) para la protección contra sobretensiones en transformadores

Cuatro líneas en una solicitud de cotización (RFQ) evitarán una revisión posterior, y ninguna de ellas requiere más de un minuto para localizarla en los planos.

• Puesta a tierra del sistema: efectivamente puesta a tierra, puesta a tierra mediante impedancia, sin poner a tierra o en configuración delta — además de la tensión máxima del sistema, no solo la nominal.
• MCOV requerido si ya lo tiene, y la clase de pararrayos que pretende especificar.
• Método de montaje: soporte para el depósito, brazo transversal, interior del armario o compartimento de cuadro de maniobra.
• Longitud alcanzable de los conductores en la disposición real y dónde se ubicará la placa de conexión a tierra.

Envíe el diagrama unifilar y el plano del emplazamiento con esas cuatro respuestas, y le enviaremos la selección del pararrayos, su tensión de descarga, la contribución de los conductores y el resultado final margen de protección en la cotización —de modo que la discusión tenga lugar sobre papel, en su escritorio, y no en una subestación tras una tormenta. Póngase en contacto con el equipo de ingeniería de aplicaciones en [email protected] o visite las páginas de producto de transformadores Sumergidos en Aceite y transformadores montados en base para solicitar soporte de dimensionamiento para un proyecto específico.

 

Sobre el autor

Este artículo fue elaborado por el equipo de ingeniería de aplicaciones de Ryan Electric (Jiangsu Ryan Electric Co., Ltd.), fabricante de transformadores especializado en proyectos de distribución, energía y energías renovables para clientes de servicios públicos, centros de datos, industria e infraestructura a nivel mundial. Nuestros ingenieros especifican la selección de pararrayos, la coordinación del aislamiento y los detalles de puesta a tierra en los mismos diseños que se someten a ensayo en nuestro laboratorio de ensayos de Danyang. Para consultas sobre la selección de MCOV o sobre el margen de protección en un proyecto específico, escriba a [email protected].