Dimensionamiento de pararrayos: Uc, Ur, capacidad de TOV y margen de protección del NBI

Qué es el dimensionamiento de un pararrayos

Un pararrayos es la última línea de defensa de la coordinación de aislamiento. Es un resistor dependiente de la tensión —una pila de bloques de óxido metálico (óxido de zinc, ZnO)— que se comporta como circuito abierto a tensión normal y como casi un cortocircuito cuando aparece una sobretensión, desviando la corriente de sobretensión a tierra y limitando la tensión sobre el equipo protegido.

Dimensionarlo es un equilibrio entre dos requisitos opuestos. Por un lado, el pararrayos debe tolerar la mayor tensión que la operación normal y las faltas temporales imponen, o envejece y falla. Por otro, debe limitar las sobretensiones atmosféricas y de maniobra a una tensión residual lo bastante baja para proteger el aislamiento del equipo. La tensión continua Uc y la tensión nominal Ur cubren el primer requisito; la tensión residual Up y su margen frente al NBI cubren el segundo.

El método siguiente sigue la IEC 60099-4 / NBR 16050 y la orientación de aplicación de la IEC 60099-5 y la IEEE C62.22.

Paso 1 — la tensión que ve el pararrayos continuamente

El pararrayos se conecta fase-tierra, por lo que la tensión de régimen sobre él es la tensión fase-tierra máxima del sistema:

U_L-N,máx = (Um/√3)·(1 + reg)

Aquí Um es la tensión máxima del sistema (para una red nominal de 13,8 kV, Um = 15 kV) y reg es la sobretensión de régimen por regulación o carga ligera. La tensión de operación continua Uc debe quedar por encima de ese valor con margen para armónicos y tolerancia de medición:

Uc_req = 1,05 · U_L-N,máx

El factor 1,05 no es arbitrario: el contenido de tercera armónica y la tolerancia de instrumentos añaden rutinariamente algunos puntos porcentuales a la fundamental. Un pararrayos cuya Uc apenas iguala la tensión fase-tierra nominal drenará corriente de fuga resistiva excesiva, se calentará y subirá por la curva de envejecimiento. En sistemas aislados o de puesta a tierra resonante una falta a tierra puede persistir indefinidamente, elevando las fases sanas hacia la tensión fase-fase; en ese caso de falta sostenida la calculadora referencia la Uc directamente a la Um en lugar de Um/√3.

Paso 2 — de la Uc a la tensión nominal Ur

Para pararrayos de óxido metálico estándar la tensión continua es cerca del 80% de la tensión nominal, por lo que el primer límite inferior de Ur es:

Ur(Uc) = Uc_req / 0,8 ≈ 1,25 · Uc_req

Ur es la tensión de referencia de 10 s a frecuencia industrial que nombra al pararrayos (un “pararrayos de 12 kV”). Pero la Uc no es la única restricción: la sobretensión temporal da una segunda, independiente.

Paso 3 — el criterio de la sobretensión temporal (TOV)

Cuando una fase falla a tierra, las dos fases sanas suben. La sobretensión a frecuencia industrial en las fases sanas es:

Utov = k · U_L-N,máx

donde k es el factor de falta a tierra: cerca de 1,3–1,4 en un sistema sólidamente puesto a tierra, subiendo hacia √3 ≈ 1,73 en un sistema aislado o de alta impedancia. El pararrayos solo absorbe esa sobretensión por un tiempo limitado antes del disparo térmico, y su capacidad de TOV Tt (expresada en p.u. de Ur) disminuye con la duración: cerca de 1,20 en eventos sub-segundo, 1,15 en 1 s, 1,10 en 10 s y alrededor de 1,04 en faltas muy largas. La tensión nominal exigida por la TOV es, por tanto:

Ur(TOV) = Utov / Tt

El pararrayos debe satisfacer ambos criterios, por lo que la Ur de proyecto es el siguiente valor estándar igual o por encima del mayor de los dos:

Ur = siguiente_estándar(max(Ur(Uc), Ur(TOV)))

Fijada la Ur en un valor de catálogo, la tensión continua real del pararrayos se recupera como Uc = 0,8·Ur, que aún debe cubrir la Uc_req.

Paso 4 — tensión residual y margen de protección

La razón de ser del pararrayos es la tensión residual (de protección) Up —la tensión que permanece sobre él mientras descarga la corriente nominal In (un impulso 8/20 µs de 5, 10 o 20 kA según la clase). Up proviene de la razón de datasheet Up/Ur, típicamente entre 3,0 y 3,5:

Up = (Up/Ur) · Ur

Esa Up se compara frente al nivel básico de impulso atmosférico (NBI/BIL) del equipo para obtener el margen de protección:

margen = (NBI/Up − 1) · 100 ≥ 20 %

Un margen de al menos 20% es el umbral de aceptación habitual. Cables, equipos aislados en gas y máquinas rotativas merecen más, porque su aislamiento no se autorregenera. Nótese que el margen efectivo en los terminales del equipo es erosionado por la inductancia de los conductores que conectan el pararrayos: manténlos cortos y directos.

Paso 5 — la corriente de cortocircuito (alivio de presión)

Por último, el pararrayos debe fallar de forma segura. Su corriente de cortocircuito / alivio de presión nominal Is debe igualar o superar la corriente de falta presunta Ik″ en el punto de instalación:

Is ≥ Ik″

Si el pararrayos llega a sobrecargarse hasta la falla, debe aliviar la corriente de falta de forma controlada en lugar de romper su envolvente violentamente. La calculadora redondea Ik″ hacia arriba al siguiente valor estándar de Is (5, 10, 16, 20, 31,5, 40 kA…).

Cómo leer el resultado

La selección es consistente cuando se cumplen todas las condiciones siguientes:

• La Ur adoptada es un valor estándar igual o por encima de Ur(Uc) y de Ur(TOV).
• La Uc del pararrayos = 0,8·Ur aún cubre la Uc exigida.
• El margen de protección (NBI vs Up) alcanza o supera el objetivo (≥ 20%).
• La corriente nominal de descarga In corresponde a la clase de la aplicación.
• Is ≥ Ik″, para que el modo de falla sea seguro.

Si el margen de protección es negativo o por debajo del objetivo, el pararrayos limita demasiado alto para ese nivel de aislamiento: necesitas una Up menor, lo que normalmente significa una Ur menor (solo posible si los criterios de TOV/Uc lo permiten) o una clase de pararrayos de mayor energía con mejor razón Up/Ur. Si, en cambio, el criterio de TOV domina y fuerza una Ur alta, el margen de protección se reduce; esa es la tensión clásica en sistemas débilmente puestos a tierra, donde una Ur mayor es inevitable y el NBI del equipo puede tener que reconsiderarse.

Consideraciones prácticas de proyecto

• Comprueba siempre los dos criterios. La Uc protege frente al servicio continuo y los armónicos; la TOV protege frente a la sobretensión de falta a tierra. La Ur exigida es la peor de las dos, nunca solo una.
• Ajusta el factor de falta a tierra a la puesta a tierra real. Adoptar k = 1,4 por defecto en un sistema aislado subdimensiona gravemente el pararrayos.
• Usa la capacidad de TOV para el tiempo de eliminación real. Un relé que tarda varios segundos en eliminar la falta exige una Ur mayor que uno rápido.
• Mantén cortos los conductores del pararrayos. La inductancia de los conductores se suma a la Up en los terminales del equipo y se come silenciosamente el margen de protección.
• Verifica Is frente al nivel de falta del sitio. Una Up correcta es inútil si el pararrayos no puede fallar de forma segura.

Seguir este encadenamiento —U_L-N,máx, Uc, los dos criterios de Ur, la Ur estándar, Up y su margen frente al NBI y, por último, Is— entrega una selección de pararrayos coordinada con el aislamiento del equipo y robusta tanto al servicio continuo como a las faltas temporales.