Un análisis mas detallado de un accidente, puede desvelar fallos de diseño que no se adaptan a las intensidades de una descarga de un rayo y nos muestran, lo frágil que son las redes eléctricas, en general, en todos los países cuando un rayo de gran intensidad impacta en la red. eléctrica Nacional.

EL análisis se basa en un accidente real, en una red eléctrica  de 33KV, de la Cooperativa Eléctrica del Puerto de MADRYN. EL resultado fue 2 transformadores quemados y miles de usuarios sin luz y con averías eléctricas.

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

En el caso de 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 superación de línea. Los arcos eléctricos,  pueden saltan por encima de los aisladores porque a la energía del rayo no les gustan las curvas,,resbalando por  encima de los equipos, llegando a saltar un arco desde el cable de tensión y la parte metálica de la torre que está referencia da a tierra, en estos casos, los aisladores cerámicos o de cristal, padecen un brusco cambio de temperatura y pueden  llegar a explotar. 

En el caso de  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 moleculares 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 mecanica que la calculada en fabrica.


La única forma de ver estas anomalías ocultas en el cable, es la inspección visual o la Termográfica. En la inspección manual, se podrá ver el cable fundido pero no se podrá apreciar el de resistencia mecánica, en la inspección con cámara termo-gráfica, se podrá ver si el cable cambia de color y eso determinará que fue impactado por un rayo.

En el caso de efectos de esfuerzos de trabajo, 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 el tener una resistencia eléctrica de  la toma de tierra muy alta. Cuando la corriente de rayo quiere pasar a tierra desde la red, se encuentra con una resistencia de tierra muy alta y la energía se trasforma en potencia de 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.

Según información de la  propia compañía eléctrica,  habían autoválvulas que no actuaron, ya que el  rayo fue de gran  potencia  y en su trayectoria por un cable, este siguen los caminos mas  rectos ya que no le gusta las  curvas , es casi mejor no tener autoválvulas y tener vías de chispas mecánicas en estos casos como se aprecia en esta imagen, porque  el efecto del rayo en  autoválvula  mal colocadas, da mas problemas que protecciones  ya que  cuando actúen las autovalvulas, podrían  cortocircuitar el trasformador por cruce franco .

¿Qué es una autoválvula o pararrayos de alta tensión?

La autoválvula 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 epóxica

DISEÑO DE INSTALACION ERRÓNEO DE LAS ACTOVALVULAS

Todas las autovalvulas están  referencia das a la estructura de la torre y al mismo potencial del plano de tierra, cuando actúen las autovalvulas, pondrán en cortocircuito la tres fases de la linea

La configuración ideal de una instalación de tierras de una Autovalvula , es que el cable de tensión termine en su tramo recto  en la autoválvula, y  a continuación el cable de tensión  haga un giro de 160 grados hacia abajo. Imaginemos que somos el rayo y viajamos 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 viajamos, esta con una curva de 180 grados hacia abajo, y que enfrente, tenemos una torre metálica referencia da a tierra con una diferencia de potencial muy bajo por estar puesta  a tierra. Nuestra trayectoria rectilínea y velocidad  de desplazamiento, nos lanzara desde el cable de aluminio a la torre metálica sin tomar ninguna curva. Esto es una simulación, pero no se aleja de la realidad, en algunos casos, hemos encontrado el cable de cobre de un bajante de pararrayos en punta roto en la zona curvada como si un cuchillo limpio lo hubiese cortado y sin fusión debido a la salida limpia del rayo  recta a otro punto frontal ( arco eléctrico por diferencia de potencial y efecto curva)..

¿Cómo funcionan las autoválvulas?

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 de transformación. 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  autoválvula. 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 autoválvula 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.

Hasta aquí,  la teoría es buena, según explican los fabricantes de autoválvulas y recomiendan las ingenierías en sus proyectos. ¡¡ Pero en la realidad pasa otro cosa!!.

¿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 el cable de trasporte de energía  como en  el neutro o cable de tierra  cable de guarda). La curva  de sobretensión no la pondré aquí , porque es ficticia y es de temerarios definir una curva típica de rayo,  ¡¡no hay nunca una curva igual!!,  porque los rayos son de diferente carga e impactan en elementos resistivos muy diversos, con lo cual,  el efecto tiempo y tensión son constantes completamente variables y nunca de igual valor. ¿Por qué parametrizar el rayo en un modelo de comportamiento fijo?

Así, que sólo explicaré que las curvas de los gráficos tan bonitos, son  el tiempo de subida y el tiempo de bajada de un fenómeno eléctrico teórico. Pueden reflejar frentes de tensión de subida muy  altos y rápidos, residuales de tensión  y tiempos de bajada,  largos y lentos. Una  curva típica de rayo de 100.000 amperios sería de 10/350 microsegundos, pero eso es sólo para un laboratorio eléctrico, no para los rayos de las tormentas.

¿Cómo se conectan mecánicamente las autoválvulas?

Hemos detectado que las compañías eléctricas, y las ingenierías, cometen algunos fallos de construcción a la hora de proteger las redes con autoválvulas. Conectan los herrajes de soportes de autoválvulas al mismo soporte y al mismo potencial de tierra.

Eso es un error técnico, según los principios termodinámicos y eléctricos, ya que las autoválvulas dejan un residual de tensión de fuga de un 20 % según cuando actuan el fabricante . En caso de sobretensión de rayos,  las tres autovalvulas 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, aguas arriba, y una bajada de tensión  de la distribución, aguas abajo.  En el mismo instante que actúan las autoválvulas, además de crear un cruce de fases, la fuga de corriente a tierra no pasa correctamente  a tierra, y se autocalientan 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 cruze 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 ganará el equipo eléctrico que aguante más. Si la autoválvula es potente, la línea saltará por sus imitadores de seguridad eléctrica, si las autoválvulas están bien calculadas, éstas explorarán (normalmente explota una y  las otras dos están tocadas, mejor cambiar las tres, siempre). 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.

 

Noticias relacionas con impactos de rayos en la red eléctrica:

Apagón en la estación de Lujan.

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

Rayo quemo trasformador en el hospital

http://www.panorama.com.ve/21-09-2010/avances/m11.html

Rayo quema trasformador y deja barrio sin luz

http://maimonense.com/web/2010/06/01/rayo-quema-transformador-en-el-barrio-los-parceleros/Rayo deja miles de abonados sin luz

http://www.venmedios.com/entornointeligente.com/resumen/resumen.php?items=1057754

Rayo deja sin luz a Granadidos y miles de abonados sin agua.

http://www.end.com.ni/cntactoend/80452

Un rayo incendia el trasformador

http://wn.com/Incendio_de_un_transformador

Ángel Rodríguez Montes
Experto en accidentes de rayos y tecnologías de protección.