Pararrayos

1. Autores:
Álvaro Sánchez (Extensión Maracaibo)
C.I: 12.444.516
Anthony Romero (Extensión Porlamar)
C.I: 24.696.117
Jeswill Bolívar (Extensión Valencia)
C.I: 22.004.163
Porlamar, agosto de 2022.
REPÚBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA
MINISTERIO DEL PODER POPULAR PARA LA
EDUCACIÓN UNIVERSITARIA, CIENCIA Y TECNOLOGÍA
INSTITUTO UNIVERSITARIO POLITÉCNICO
“SANTIAGO MARIÑO”
ARQUITECTURA
EXTENSIÓN PORLAMAR
Pararrayos

2. Introducción
Cuando hablamos de una sobretensión en un sistema nos referimos a
aquellos momentos en los que se presenta un exceso circunstancial en
la tensión, variable en el tiempo, cuyo valor máximo es superior al valor
máximo de la tensión nominal del sistema, existen muchas razones por
las que se puede originar una sobretensión en un sistema de potencia,
y por ello es que a la hora de estudiar las sobretensiones se realiza
atendiendo sus orígenes, el tipo de proceso transitorio y a su tiempo de
duración.
Este fenómeno se intensifica significativamente en las líneas de
transmisión, donde la magnitud y duración de estas sobretensiones
dependen de los parámetros eléctricos (resistencia, capacitancia e
inductancia), que están implícitos en las características constructivas y
en la longitud de la línea.

3. 1. Que es la coordinación de aislamiento?
La coordinación de aislamiento consiste en combinar
las características de operación de los descargadores
con las curvas voltaje – tiempo de los aislamientos de
los equipos, de manera que se tenga una protección
efectiva y económica contra sobrevoltajes transitorios.
En la siguiente figura podemos apreciar la curva B que
representa las características de operación de un
descargador, mientras que la curva A es la de voltaje –
tiempo de un aislamiento.
Figura 1 – Coordinación entre la característica de
Operación de un descargador y la curva de
voltaje – tiempo de un aislamiento
Entonces, podemos decir que se tendrá una
protección efectiva siempre que la curva A este
por encima de la curva B manteniendo un margen
de seguridad adecuado.
La coordinación de aislamiento tiene como
objetivo determinar las características de
aislamiento necesarias y suficientes de diversos
componentes de las redes con vistas a obtener
una rigidez homogénea a las tensiones normales
así como a las sobretensiones de origen diverso,
por otro lado, su finalidad está en permitir una
distribución segura y optimizada de la energía
eléctrica donde dicha optimización busca la mejor
relación económica para los diferentes
parámetros que dependen de esta coordinación

4. 2. Sobretensiones
2.1. Definición y tipos:
Cuando nos referimos a las sobretensiones,
hablamos de cualquier voltaje dependiendo del
tiempo, entre fases o fase y tierra, donde tenemos
un valor pico o valores que exceden al
correspondiente valor pico derivado de la tensión
más alta del tiempo.
 Sobretensiones temporales: Son de gran
importancia porque ellas determinan las
características nominales de los
pararrayos, por lo tanto, también los
niveles de protección factibles para el
sistema. Ellas están asociadas
principalmente a perdidas de cargas, fallas
a tierra y resonancia de diferentes tipos.
Usualmente las tensiones que ocurren en un sistema son:
 Sobretensiones atmosféricas: Estas
sobretensiones son de amplitudes grandes y
pueden entrar a una subestación como
resultado de descargas atmosféricas directas a
una línea o como flameos inversos en una torre
 Sobretensiones de maniobra: Están asociadas
a todas las operaciones de maniobra y fallas en
un sistema, sus altas amplitudes están
generalmente en el rango de 2 a 4 p.u, donde
la forma de onda puede variar mucho, pero
puede ser representada por una oscilación de
algunos cientos a algunos miles de ciclos,
superpuestas en una onda a frecuencia
industrial. Las sobretensiones más
significativas podrían ser las causadas por los
procesos de cierre de interruptores,
interrupción de corrientes capacitivas que esto
es cuando se desconecta una línea larga en
vacío o desconectar bancos de
transformadores, apertura a pequeñas
corrientes inductivas y las tensiones de Ferro
resonancia que pueden aparecer durante el
proceso de desconexión de partes del sistema
que no tienen conexión a tierra.

5. 2. Sobretensiones
2.2. Tensiones de paso, de contacto y de inducción
 La tensión de paso: es aquella que puede resultar aplicada entre los pies de una
persona, a una distancia de un paso durante el funcionamiento de una instalación y
debido a esto es importante averiguar la tensión a la que podría estar sometida una
persona que caminase en las proximidades del electrodo de puesta a tierra, en el
momento de producirse una corriente de defecto. Esto lo podría experimentar una
persona con los pies separados a una distancia de aproximadamente un metro, sin
estar en contacto con ninguna otra superficie conectada a tierra

6. 2. Sobretensiones
2.2. Tensiones de paso, de contacto y de inducción
 La tensión de contacto: es aquella a la cual puede estar sometido el cuerpo
humano estando en contacto con las carcasas y las estructuras metálicas de
maquinas y aparellajes que normalmente no están bajo tensión. Podríamos decir
que, es la diferencia de tensión entre una estructura metálica conectada a tierra y
una superficie en donde una persona se para, mientras sus manos tocan la
estructura conectada a tierra. En este caso, se produce una corriente que viaja casi
directamente por el corazón y a sus alrededores y por ello es muy peligrosa.

7. 2. Sobretensiones
2.2. Tensiones de paso, de contacto y de inducción
 La tensión Inducción:
Se puede hablar de varias características que definen a las tensiones
inducidas debido a descargas atmosféricas cerca de las líneas, muchas
de las salidas de líneas de bajo nivel de aislamiento se deben
principalmente a estas descargas cercanas, las tensiones inducidas
tienen usualmente un ancho de pulso más corto que el pulso generado
por una descarga directa
también tienen una tendencia a ser unipolares sobre todo si la descarga
ocurre a un lado de la línea, incluso para terrenos con pérdidas (baja
conductividad) se habla que la polaridad podría cambiar de un extremo
de la línea al otro.

8. 3. Descargadores de Tensión
3.1 Definición:
Los descargadores son aparatos destinados a proteger
el material eléctrico contra las sobretensiones
transitorias elevadas, drenándolas y limitando su
duración, y eventualmente la amplitud de la corriente
subsiguiente
Los descargadores de sobretensión se instalan en los
transformadores para protegerlos de sobretensiones
transitorias, y se conectan al conductor de fase justo
antes de proceder con su colocación. El descargador
de sobretensión está conectado a tierra, ofreciendo así
una ruta de baja impedancia a tierra para energía
procedente de una posible sobretensión transitoria. En
el caso de tensiones de funcionamiento normales, el
descargador de sobretensión debe actuar como un
aislante del conductor de fase desde tierra. Estas
funciones opuestas se consiguen normalmente con un
varistor (descargadores MOV) que tiene diferentes
resistencias en tensiones distintas.
Estos aparatos comenzaron con formas de cuernos entre
los cuales bajo una sobretensión se iniciaba una
descarga, evolucionaron con resistencias no lineales (de
carburo de silicio) en serie a un explosor, y luego apareció
el óxido de cinc. Los descargadores de óxido de zinc son
los más modernos, comenzaron a penetrar en el mercado
en la década de los años 70, y su efecto puede ser
comparado al de los diodos zenner utilizados en
electrónica.
La característica u = f(i) del óxido de zinc se muestra
en la figura 140 donde se la compara con la de
carburo de silicio y con una resistencia lineal. Las
intensidades de corriente que circulan a través de estas
resistencias para un determinado valor de tensión no
requieren explicación, y se destaca el comportamiento
del óxido de zinc

9. 3. Descargadores de Tensión
3.2 Tipos:
 Protectores contra sobretensiones
permanentes
Los protectores contra sobretensiones
permanentes pueden ser monofásicos (P+N) o
trifásicos (3P+N), con actuación sobre
magnetotérmico y pueden llegar a incluir el
interruptor magnetotérmico de cabecera.
Las sobretensiones permanentes son aumentos
de tensión superior al 10% de la tensión nominal
(220 V o 230 V) y duración indeterminada. La
alimentación de equipos con una tensión
superior a aquella para la que han sido
diseñados puede generar:
o Sobrecalentamiento de los equipos.
o Reducción de la vida útil.
o Incendios.
o Destrucción de los equipos.
o Interrupción del servicio.
La protección contra sobretensiones
permanentes requiere de un sistema
distinto que en las sobretensiones
transitorias. En vez de derivar a tierra para
evitar el exceso de tensión, es necesario
desconectar la instalación de la red
eléctrica para evitar que llegue la
sobretensión a los equipos. El uso de
protectores es indispensable en áreas
donde se dan fluctuaciones de valor de
tensión de la red.

10. 3. Descargadores de Tensión
3.2 Tipos:
 Protectores contra sobretensiones
permanentes con reconexión automática
Al igual que los protectores de
sobretensiones permanentes, estos
equipos son capaces de desconectar la
instalación de la red eléctrica cuando la
tensión supera un valor establecido, pero a
su vez el equipo reconecta
automáticamente cuando la tensión vuelve
a establecerse por debajo de ese umbral y
permanece durante un tiempo específico.
Gracias a esta función evitamos dejar sin
suministro la instalación receptora
indefinidamente, ya que los protectores de
sobretensiones permanentes disparan el
magnetotérmico (IGA) que llevan asociado.
De este modo no dejaremos sin alimentación
instalaciones más susceptibles como
cámaras frigoríficas, estaciones de
telecomunicaciones, alumbrado público,
pantallas publicitarias, segundas viviendas,
puntos de recarga de vehículo eléctrico, etc.
En todos estos casos y debido a los nuevos
medidores inteligentes que montan las
compañías suministradoras de electricidad,
el equipo protector de sobretensiones
permanentes con reconexión automática
debe ser capaz de ofrecer una impedancia
infinita para rearmar la función de corte de
suministro al superar la potencia contratada
(ICP).

11. 3. Descargadores de Tensión
3.2 Tipos:
 Protectores contra sobretensiones permanentes
con reconexión automática
Al igual que los protectores de sobretensiones
permanentes, estos equipos son capaces de
desconectar la instalación de la red eléctrica cuando la
tensión supera un valor establecido, pero a su vez el
equipo reconecta automáticamente cuando la tensión
vuelve a establecerse por debajo de ese umbral y
permanece durante un tiempo específico. Gracias a
esta función evitamos dejar sin suministro la
instalación receptora indefinidamente, ya que los
protectores de sobretensiones permanentes disparan
el magnetotérmico (IGA) que llevan asociado.
De este modo no dejaremos sin
alimentación instalaciones más
susceptibles como cámaras
frigoríficas, estaciones de
telecomunicaciones, alumbrado
público, pantallas publicitarias,
segundas viviendas, puntos de
recarga de vehículo eléctrico, etc. En
todos estos casos y debido a los
nuevos medidores inteligentes que
montan las compañías
suministradoras de electricidad, el
equipo protector de sobretensiones
permanentes con reconexión
automática debe ser capaz de
ofrecer una impedancia infinita para
rearmar la función de corte de
suministro al superar la potencia
contratada (ICP).

12. 3. Descargadores de Tensión
3.2 Tipos:
 Protectores contra sobretensiones transitorias
Las sobretensiones transitorias son picos de tensión que alcanzan
valores de decenas de kilovoltios y de corta duración, causan la
destrucción de los equipos conectados a la red provocando:
o Daños graves o destrucción de los equipos.
o Interrupción del servicio.
En algunas instalaciones un solo protector contra sobretensiones puede
ser suficiente. Sin embargo, en muchas otras, se necesitará más de un
paso de protección, de esta forma se consigue un mayor poder de
descarga asegurando una tensión residual pequeña.

13. 3. Descargadores de Tensión
3.3 Funcionamiento:
El funcionamiento de los descargadores de
sobretensión de Industrias se basa en las
propiedades alineales de ciertos elementos, que
presentan una impedancia variable en relación
inversa con la tensión aplicada a los varistores. En
particular, se utilizan varistores del tipo óxido de zinc
altamente efectivos que aseguran tiempos de
respuesta muy cortos con ciclos de vida muy
elevados.
Esto produce el recorte de la amplitud, al mismo tiempo
que el protector disipa la energía que transporta la
perturbación. Una vez que el transitorio ha sido
eliminado, el protector vuelve a su estado normal de
funcionamiento. Si la sobretensión fuera del tipo
permanente, el descargador se pone en cortocircuito
haciendo actuar las protecciones automáticas
antepuestas. En el caso de exceso de sobretensión,
los descargadores incorporan internamente un
desligador que desconecta el descargador defectuoso
de la red y avisa mediante un indicador rojo en la
ventana de inspección.
A tensión nominal, presentan una impedancia de tipo
capacitiva de muy alto valor (más de cien megaohms
100 MΩ) que hace que su consumo en este estado
resulte despreciable, mientras que cuando la tensión
aplicada alcanza los miles de volts, la impedancia se
torna resistiva y de bajo valor, lo que permite la
derivación a tierra de las eventuales sobrecorrientes,
en virtud de que esta disminución brusca de
impedancia ofrece un camino eléctrico más favorable
para la circulación de la corriente transitoria producida
por la onda de sobretensión.
Se emplean para la protección de la aislación de
transformadores, capacitores, y otros aparatos de MT,
frente a sobretensiones (externas) de origen
atmosférico e internas (de maniobra), que podrían
afectarlos irreversiblemente, para lo cual deberán
instalarse lo más cerca posible del dispositivo a
proteger. La función del descargador es derivar a
tierra las tensiones que alcancen un nivel peligroso
para la aislación del equipamiento protegido. Por otro
lado no deben operar cuando las sobretensiones no
son peligrosas.

14. 3. Descargadores de Tensión
3.4 Esquema de conexión:

15. 4. Como se calcula el apantallamiento
En condiciones ideales, el aislamiento de las líneas de transmisión debe tolerar
cualquier sobrevoltaje que se presente en ellas, pero la longitud de las cadenas
de aisladores y las distancias mínimas de aire deberán ser tan grandes que el
costo del aislamiento resulta exageradamente alto, por consiguiente se diseña
el aislamiento de las líneas de tal manera que soporte todo sobrevoltaje interno
(sobrevoltajes por maniobra y sobrevoltajes de baja frecuencia), pero no todo
impulso de voltaje ocasionado por descargas atmosféricas (sobrevoltaje
externo).
La idea de apantallar una línea de transmisión es como su nombre lo indica
crear una pantalla protectora para los conductores, de tal manera que las
descargas se desvíen a tierra por medio de ella, una especie de pararrayos
horizontal sobre toda la línea, y esta pantalla protectora la cumple el cable de
guarda.

16. 4. Como se calcula el apantallamiento
la metodología de cálculo de los
parámetros necesarios para el diseño del
apantallamiento es la siguiente:
Se calcula la impedancia del conductor ante el frente
de onda atmosférico Para determinar Zc (Ω):
Donde yc= “altura promedio de pantalla de cables”
sobre el piso y se calcula según el tipo de terreno por el
que pasa la red eléctrica.
Ecuación para terreno plano:
Para Terreno Ondulado:
Para Terreno Montañoso:
En las ecuaciones:
• h = Altura de los conductores de fase en la torre
(m)
• fc = flecha del conductor (m) Un valor necesario
para el cálculo es el radio equivalente del haz
de conductores de fase o radio medio
geométrico (re). Para un solo conductor de fase
se usa re=6cm para tomar en cuenta la
atenuación por efecto corona
En la ecuación:
• n= Número de subconductores de fase.
• rs= Radio de un subconductor (m).
• Rh= Radio del haz de conductores de fase que
se calcula con la expresión:

17. 5. Cable de guarda y su función
Es un cable el cual tiene por función proteger de
descargas atmosféricas a una línea de transmisión de
energía eléctrica lo que viene a hacer un equivalente
aun pararrayos horizontal que se coloca sobre la línea;
el cable de guarda tiene como función atraer los rayos
y mandarlos a tierra.
El cable de guarda es un conductor colocado en la
parte más alta de las torres de transmisión, que es
conectado a tierra para ofrecer un blindaje a los
conductores de fase, protegiéndolos contra las
descargas atmosféricas.
Las líneas de transmisión
trabajan con alta tensión,
con voltajes de miles de
voltios, con propósitos de
seguridad, los
conductores de fase (L1,
L2 y L3) se colocan a gran
altura en torres de
estructuras metálicas.
Su ubicación crea grandes posibilidades, donde
puedan ocurrir las descargas eléctricas
atmosféricas.
Para evitarlas, los cables de guarda se colocan
paralelos sobre los cables conductores de fase,
ofreciendo un apantallamiento que intercepta los
rayos.

18. 5. Cable de guarda y su función
 Los hilos de guarda “Overhead ground wire” son
cables aéreos que son conectados a intervalos
regulares a tierra.
 Son cables desnudos (sin aislante) que en
condiciones normales no conducen corriente,
están diseñado para conducir eventualmente
corrientes de rayo.
 El cable de guarda (CFE E1000-18; ACSR/AS)
estar constituido por un núcleo central de
alambres de acero, recubierto por capas de
alambres de aluminio duro cableado de forma
helicoidal.
 Hoy en día, en algunos casos se transmite
información con conductores de fibra óptica
colocados incluso dentro de los cables de guarda.
 Son cables con doble función protección y
comunicación, como el cable OPGW (Optical
Ground Wire).