Los rayos, las líneas eléctricas y consecuencias.

En la ciudad de Puerto Madryn, Rca Argentina, el día 21 de Febrero del 2011 a consecuencia de una tormenta eléctrica y luego de la caída de rayos se produjo el corte del servicio eléctrico en toda la ciudad, la reposición tardo varias horas.

Un análisis de lo ocurrido, nos muestra lo frágil que son las redes eléctricas, en general, cuando un rayo impacta en la red o cerca de ellas. Un video muestra la caída de los rayos, se observan las luces que dejan de funcionar con el prime impacto y un segundo impacto produce el corte total, se observa también los lugares de las averías, casi instantáneamente con el rayo se producen dos resplandores, uno a cada lado de la caída del rayo, aguas arriba y aguas abajo, un tercer relámpago da muestra de la ciudad sin luz. Este video puede observarse en la siguiente dirección de Internet.

https://www.tn.com.ar/puerto-madryn/133675/mira-los-dos-rayos-que-dejaron-sin-luz-puerto-madryn-por-una-noche

Ese resplandor que se ve, es el resultado de los arcos eléctricos causados por la sobretensión, inducida por el rayo en la red eléctrica de 33KV, de la Cooperativa Eléctrica del Puerto de MADRYN.  El arco eléctrico  paso desde la línea  de alta, a la carcasa del trasformador, saltando el aislador cerámico  y los protectores de sobretensión (auto válvulas o pararrayos de alta tensión). El resultado 2 transformadores quemados.

Analicemos lo que aparentemente sucede:
Un rayo puede impactar directamente en la red, en los cables de tensión, neutro o tierra, o en la torre, e incluso cerca de ella. El  impacto del rayo puede generar efectos térmicos, eléctricos y electromagnéticos.

 

Los efectos eléctricos, sean directos o inducidos por rayos cercanos,  el rayo se trasformará en corrientes de muy alta tensión que circularán por la red, aguas arriba y aguas abajo, creando arcos eléctricos a su paso en las primeras torres de la línea. Los arcos eléctricos, pueden saltar por encima de los aisladores, llegando a formar un arco entre el cable de tensión a la parte metálica de la torre, que está referenciada a tierra, en estos casos, los aisladores cerámicos o de cristal, padecen un brusco cambio de temperatura y pueden  llegar a explotar.

                                           

La cadena de aisladores es necesaria para contener el paso de la energía eléctrica desde la estación transformadora hasta las distribuidoras domiciliarias. El rayo pulverizó los aisladores en un línea de 132kv y dejó a la línea sin capacidad para transportar esa energía)

Los  efectos térmicos por impacto directo  de rayo en el cable, el efecto térmico funde parte del material del cable, la alta temperatura aparece  en microsegundos y cambia las características físicas a nivel molecular del material, modificando sus propiedades mecánicas de resistencia  o esfuerzo de trabajo. A partir de entonces, el cable puede romperse, ya que en ese punto el cable ejerce otra resistencia mecánica que la calculada en fábrica.

La única forma de ver estas anomalías ocultas en el cable, es la inspección visual o la Termografía.

En la inspección manual, se podrá ver el cable fundido pero no se podrá apreciar la resistencia mecánica, en la inspección con cámara termo-gráfica, se podrá ver el estado del cable observando el color podremos determinar si existe impacto de rayo y los cambios producidos en el material..

Inspección manual.

                              En el caso de efectos por esfuerzos en el cable, el resultado es muy visual, desde haber arrancado limpiamente  los soportes  de los aisladores, o carcasas de trasformador abiertas, o tomas de tierra levantadas o incluso  cimentaciones de patas de torre de alta tensión desenterradas. En uno u otro caso, el problema lo ejerce la resistencia eléctrica de  la toma de tierra. Cuando la corriente de rayo quiere pasar a tierra desde la red y al encontrar una resistencia de tierra muy alta la energía se trasforma en potencia o trabajo (KW). Es fácil conocer los valores de potencia, aplicando la ley de ohm a una corriente conocida de rayo de 100.000 amperios y una resistencia de 300 ohmios, tendremos la tensión que aparecerá y los KW de potencia. Si no disipo la fuga de corriente en menos de un milisegundo, ésta se trasformará en Trabajo.

En el rayo  del video y según la información de la  propia compañía eléctrica,  había auto válvulas que no actuaron, ya que el  rayo fue de gran  potencia  y en su trayectoria por el cable, este sigue los caminos mas  rectos, es casi mejor no tener auto válvulas y tener vías de chispas mecánicas en estos casos como se aprecia en esta imagen, porque el efecto del rayo en  auto válvula  mal colocadas, da mas problemas que protecciones ya que  cuando actúen las auto válvulas, podrían  cortocircuitar el trasformador por cruce franco.

Descargador vía de chispas tipo cuernos.

 

Qué es una auto válvula o pararrayos de alta tensión.

La auto válvula es un protector de sobretensión  de potencia, para redes de alta tensión. Está construida  con  varios semiconductores de cerámica o de silicio de resistencia variable, y colocados en serie, alojados dentro de un envase de cerámica o resina de epoxi.

                                                      

Colocación de auto válvulas.

En la siguiente foto, vemos la situación de la auto válvula que parece no ser la correcta, ya que solo actuara con rayos pequeños, por que los rayos de gran intensidad saltaran desde el cable a la torre.

Como se puede apreciar, la auto válvula está  referenciada a la estructura de la torre y al mismo potencial del plano de tierra, cuando actúen las auto válvulas, pondrán en cortocircuito la tres fases de la línea.

La sobre tensión estará en las tres fases, como no estarán desfasadas a 120°, como si ocurre en la tensión de trabajo, si las tres fases se colocan a tierra generaran una sobre tensión que puede ser la suma de la sobre tensión del rayo y por consiguiente un potencia aun mayor que si una de las fases va a tierra.

Los lugares donde se instalan las auto válvulas

En la entrada de los CT de intemperie para proteger al transformador de sobretensiones.
En entradas y salidas de subestaciones.
Protegiendo transformadores en subestaciones.
Paso de una línea aérea a subterránea.
 

Algunos ejemplos de instalaciones:                                                      

                 

                                                           

                                                    

La configuración ideal, es que el cable de tensión termine en su tramo recto  en la auto válvula, y  el cable de tensión  haga el giro. Imaginemos el rayo  viajando a 300.000 Km. por segundo por alrededor del cable de aluminio, al llegar al aislador cerámico, nos encontramos que el cable por el que viaja, esta con una curva, y enfrente, una torre metálica referenciada a tierra, la trayectoria rectilínea y velocidad  de desplazamiento hará que la sobretensión continúe del cable de aluminio a la torre metálica sin tomar ningún desvío.

¿Cómo funcionan las auto válvulas?

La Instalación:
Estos equipos se colocan, normalmente, en cabecera y en la terminal de línea para desviar las sobretensiones a tierra y proteger los equipos transformadores. Se posicionan cerca de la línea de alta tensión, en un soporte de la misma torre, con el objetivo de derivar las sobretensiones de rayos a la propia estructura y toma de tierra, se conectan  eléctricamente en serie, entre la línea a proteger,  y la toma de tierra. Cada línea necesita como mínimo una auto válvula. Tanto las fases activas  como neutras.

Cómo actúa:
Cuando aparece una sobretensión, la frecuencia de la misma es muy alta en la red y hace que los semiconductores de la auto válvula se exciten, cambiando de estado su resistencia eléctrica, en ese momento la línea tiene un caída de  tensión al ponerse a tierra durante los microsegundos que el rayo se fuga a tierra.

¿Qué pasa realmente?
Cuando un rayo impacta en la línea, aparece el fenómeno de sobretensión, acoplado en los tres cables de la línea en el mismo instante. Tengan o no tengan tensión, los cables hacen de antena y el rayo circula  en microsegundos aguas arriba y aguas abajo, tanto en los cables de trasporte de energía  como en  el neutro o cable de tierra  y cable de guarda.

¿Cómo se conectan mecánicamente las auto válvulas?

Las compañías eléctricas, y las ingenierías, a la hora de proteger las redes con auto válvulas. Conectan los herrajes de soportes de auto válvulas al mismo soporte y al mismo potencial de tierra.

Esto puede ser un  error técnico ya que las auto válvulas dejan un residual de tensión de fuga de un 20 % según el fabricante. En caso de sobretensión de rayos,  las tres auto válvulas se abren y dejan pasar la sobretensión. Cuando esto sucede, las tres fases (R,S,T) se ponen en cortocircuito por el mismo  cable de tierra o herrajes (estrella),  creando una subida de tensión en la  propia red de suministro (la sobretensión del rayo esta en fase en las tres líneas), aguas arriba, y una bajada de tensión  de la distribución, aguas abajo.  En el mismo instante que actúan las auto válvulas, además de crear un cruce de fases, la fuga de corriente a tierra no pasa correctamente  a tierra, y se auto calientan el semiconductor, facilitando que éste baje aún más su resistencia de trabajo y dejando así más residual de fuga a tierra, el resultado es que el cruce de fases es más pronunciado y la fuga a tierra también.

Esto es un efecto que pasa en  microsegundos de tiempo con corrientes de alta tensión,  y no se rompera el equipo eléctrico que aguante más. Si la auto válvula es potente, la línea saltará por sus limitadores de seguridad eléctrica, si las auto válvulas están bien calculadas, éstas explotarán. Si todo aguanta, lo que puede pasar es que por la tierra aparezcan grandes tensiones que retornen por el neutro al trasformador y salte un arco dentro de las bobinas en la parte central. Si el arco,  dentro del trasformador es grande, el aceite se incendiará haciendo explotar el propio trasformador.

Agradecimiento : a Ángel Rodríguez Montes, por su apoyo incondicional, y a toda la empresa INT

Ing. Roberto Rene Leal

2 de Febrero 2013

Noticias relacionadas con impactos de rayos en la red eléctrica:

https://www.diariouno.com.ar/edimpresa/2009/03/27/nota208720.html

https://wn.com/Incendio_de_un_transformador

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