Mejora de la confiabilidad de la energía: guía completa para transformadores de protección contra rayos

Introducción

En regiones propensas a tormentas eléctricas frecuentes, las empresas de servicios eléctricos y las instalaciones industriales enfrentan riesgos importantes debido a las sobretensiones inducidas por rayos. Un solo impacto directo o cercano puede generar sobretensiones transitorias que ponen en peligro el aislamiento del transformador, interrumpen el servicio y provocan reemplazos costosos. Los transformadores de protección contra rayos integran componentes especializados y estrategias de diseño para desviar, absorber y disipar estas sobretensiones, garantizando un funcionamiento continuo y ampliando la vida útil de los activos.

Comprender las sobretensiones inducidas por rayos

1. Efectos del ataque directo

• Puede inyectar decenas de kiloamperios de corriente directamente en el tanque del transformador.

• Genera aumentos rápidos de voltaje (hasta varios megavoltios) que tensionan el aislamiento.

2. Acoplamiento inductivo

• Las corrientes de rayo en conductores adyacentes crean sobretensiones que aumentan rápidamente a través de campos magnéticos.

• Estos voltajes transitorios aparecen en los terminales del transformador, con riesgo de falla interna.

Elementos protectores centrales

1. Pararrayos

• Función: Limitar voltajes excesivos mediante la transición a un estado conductor y desviando energía a tierra.

• Tipos: Varistores de óxido metálico (MOV) con características tensión-corriente no lineales.

• Colocación: En cada bushing de alta tensión y en el punto neutro para unidades trifásicas.

2. Escudos electrostáticos

• Función: Proporcionar una barrera equipotencial conectada a tierra entre los devanados, reduciendo el acoplamiento capacitivo de sobretensiones en el secundario.

• Construcción: Capas delgadas de papel de cobre o aluminio incrustadas entre las secciones del devanado y unidas al tanque.

3. Bobinas de impedancia (reactores de rayos)

• Función: Introducir impedancia en serie para limitar la tasa de aumento de corriente (di/dt) y la tensión mecánica en los conductores devanados.

• Dimensionamiento: Calculado en base a la amplitud máxima esperada de la corriente del rayo y el rendimiento de limitación de corriente deseado.

4. Red de puesta a tierra

• Función: Ofrece una ruta de baja impedancia para sobrecorrientes, minimizando las diferencias de potencial que causan daños en el aislamiento o voltajes de paso peligrosos.

• Diseño: Conductores de cobre o tapetes de tierra dimensionados para lograr la resistencia de tierra objetivo (típicamente ≤ 5 Ω).

Consideraciones de diseño y especificaciones

• Coordinación de aislamiento:

• Determine el índice de severidad de los rayos específico del sitio (p. ej., densidad de descargas en el suelo).

• Seleccione tensiones soportadas de impulso (forma de onda de 1,2/50 µs) que excedan el transitorio probable más alto.

• Clasificaciones de los pararrayos:

• MCOV (voltaje máximo de funcionamiento continuo): debe igualar o superar el voltaje nominal del transformador.

• Absorción de energía: debe manejar la energía de golpes repetidos sin degradación.

• Cobertura de escudo y vinculación:

• Asegúrese de que los protectores se extiendan por toda la longitud axial de los devanados.

• Utilice varias correas de unión de baja inductancia para unir los protectores al tanque.

• Diseño del sistema de puesta a tierra:

• Incorpore varillas, rejillas o mallas de tierra para distribuir la corriente y controlar los potenciales de contacto.

• Valide mediante pruebas de resistividad del suelo y ajuste el espaciado de los conductores en consecuencia.

Mejores prácticas de instalación

1. Pruebas previas a la instalación

• Mida la resistividad del suelo para informar el diseño de puesta a tierra.

• Verifique los devanados del transformador y la integridad del aislamiento del tanque con pruebas dieléctricas.

2. Montaje del pararrayos

• Coloque los pararrayos lo más cerca posible de los casquillos para minimizar la inductancia del cable.

• Asegúrelo mecánicamente para resistir el clima y las vibraciones.

3. Integración de escudo y buje

• Inspeccione las correas de conexión a tierra del blindaje para comprobar si tienen el torque adecuado y una baja resistencia.

• Confirme que los capacitores de clasificación internos de los bushings estén alineados con las capas protectoras.

4. Verificación de la conexión a tierra

• Prueba de resistencia a tierra posterior a la instalación (objetivo ≤ 5 Ω).

• Verifique la continuidad entre todos los elementos de protección (tanque, neutro, pararrayos).

Estrategias de mantenimiento y diagnóstico

• Inspección visual de rutina:

• Busque decoloración, grietas o entrada de humedad en los pararrayos.

• Verifique los conductores de conexión a tierra en busca de corrosión o abrazaderas flojas.

• Monitoreo de descargas parciales:

• Utilice la detección de DP en línea o fuera de línea para identificar debilidades de aislamiento emergentes.

• Programe acciones correctivas antes de que las fallas aumenten.

• Pruebas de corriente de fuga en pararrayos:

• Realice un seguimiento de las fugas para detectar el deterioro de los MOV.

• Reemplace los pararrayos cuando la fuga exceda los umbrales del fabricante.

• Pruebas dieléctricas de transformadores:

• Realice pruebas de capacitancia y tan δ (factor de potencia) anualmente.

• Resultados de tendencias para detectar el envejecimiento del aislamiento o la contaminación por humedad.

Beneficios de la protección contra rayos

• Confiabilidad mejorada:
  Reduce las interrupciones no planificadas causadas por sobretensiones transitorias.

• Vida útil extendida:
  Minimiza el estrés de aislamiento acumulativo, preservando la rigidez dieléctrica.

• Mejoras de seguridad:
  controla los voltajes de paso y contacto durante eventos de sobretensión, protegiendo al personal.

• Ahorro de costos:
  Reduce los gastos de reparación y reemplazo al prevenir fallas catastróficas.

Conclusión

Implementar un esquema robusto de protección contra rayos en El diseño y la instalación de transformadores son esenciales para las empresas de servicios públicos y las industrias que operan en áreas de alto riesgo. Al combinar descargadores de sobretensiones, blindaje electrostático, bobinas de impedancia y una red de puesta a tierra optimizada, los operadores pueden mitigar significativamente los efectos dañinos de los rayos. A través de especificaciones diligentes, instalación precisa y mantenimiento proactivo, los transformadores de protección contra rayos ofrecen rendimiento confiable, seguridad y rentabilidad a largo plazo.