Protección contra descargas atmosféricas

Sistemas de protección.

Los métodos para proteger los sistemas de transmisión contra las interrupciones debidas a descargas atmosféricas son:

• Conductores aéreos de tierra.
• Tubos de expulsión.^[7]

Se persiguen dos objetivos: protección contra largas interrupciones, reducción del número de interrupciones momentáneas causadas por descargas atmosféricas. Ambos objetivos no son siempre compatibles, de modo que en algunos casos la protección contra daños debe realizarse a expensas del número de interrupciones y viceversa.

Los conductores de tierra y tubos de expulsión proporcionan la protección contra daños y la reducción de las descargas a tierra; pero ambos ocasionan un considerable aumento en el coste de la línea.

Conductores aéreos de tierra (cables de tierra) 

Hoy día se está de acuerdo en que, para que la protección con cables de tierra sea efectiva, es necesario que estos cables apantallen a todos los conductores de la línea, que la resistencia de puesta a tierra sea baja, que el aislamiento sea relativamente elevado y que, en general, la distancia entre los cables de tierra y los de línea sea algo mayor de la que se acostumbraba hace algunos años.

Figura 6

Tubos protectores

Son considerados como equivalentes al cable de tierra para protección contra daños e interrupciones, con tal que se instalen en todas las estructuras de apoyo de la línea. Los tubos, han sido experimentados durante pocos años; se ha obtenido un excelente resultado. Se han aplicado en pocos casos para tensiones superiores a 110 kv., y se ha restringido su uso en que la intensidad de corto circuito es especialmente elevada. No se han construido estos tubos para las tensiones más altas, siendo especialmente convenientes para protección a tensiones menos elevada. La ventaja de la protección con tubos se apreciaría si se efectuase un serio intento de reducir las descargas a tierra en una línea, hasta una cifra determinada; una línea de 44 kv. estudiada para 5 descargas anuales, por ejemplo, resultaría en distancias, estructura y aislamiento parecida a una línea de 110 kv.

En líneas de 26 kv. se ha aplicado con éxito el sistema de equipar uno de los conductores con tubos de protección, usándolo para apantallar a los demás conductores.^[8]

Estudio de la protección mediante conductor aéreo de tierra

La baja resistencia de puesta a tierra es el factor más importante en el proyecto de instalaciones de cable de tierra.

Hay una gran variedad de opiniones sobre este tema, pero en la que más coinciden los expertos es, en que el material y la conductividad de los cables de tierra son de importancia secundaria, y lo más ventajoso es disponer varios pasos o circuitos en paralelo. El estudio teórico, indica que sería muy útil unir los dos cables de tierra en el centro de vano, lo mismo que en las estructuras.

Debe tenerse en cuenta que la protección aportada por los cables de tierra tiene el inconveniente del peligro mecánico que constituyen estos cables unidos directamente a tierra, situados encima del conductor, debiendo tomarse los mayores cuidados en su disposición mecánica y su emplazamiento, para evitar la posibilidad de contacto entre conductores en cualquier condición.

Los métodos de proyectar una línea con un nivel de protección determinado y de establecer las proporciones correctas de aislamiento, separación entre conductores en el centro del vano y resistencia de puesta tierra, no han sido sistematizados en forma precisa y manejable. Tales cálculos requieren estimaciones aproximadas, cuidadosamente hechas, de número de factores que solamente pueden resolver de manera acertada los que están muy familiarizados con los aspectos teórico y experimental.

Apantallamiento

La posición relativa de los conductores de tierra y de la línea para obtener el apantallamiento completo ha sido motivo de algunas discusiones. Algunos especialistas han sugerido que los conductores exteriores quedasen dentro de una línea que, pasando por el cable de tierra, forme un ángulo de 20º con la vertical. Los conductores interiores, situados entre dos cables de tierra, quedan protegidos aun en el caso de que los conductores de tierra resulten muy distantes. La experiencia en el tipo representado en la figura 5 demuestra que el apantallamiento es completo dentro de una zona limitada por líneas pasando por los cables de tierra con una inclinación de uno (vertical) por dos (horizontales). Este tipo de apantallamiento parece ser el único que ofrece posibilidades de conseguir protección completa, es decir, líneas a prueba de rayo en tensiones relativamente bajas.

Separación en el centro del vano

La separación necesaria entre los conductores de tierra y los de línea para asegurar que una descarga que haya alcanzado un conductor de tierra no salte a los conductores de línea, se denomina separación en el centro del vano. Esta separación es considerablemente inferior a la correspondiente a la plena tensión del rayo, gracias al potencial del mismo siglo inducido en los conductores aislados paralelos. El valor de esta tensión inducida y la consiguiente reducción de diferencia de potenciales, viene determinado por una serie de factores, entre los cuales figuran la distancia entre los conductores de servicio y los de tierra, la altura sobre el plano del terreno y la tensión en el cable de tierra. La tensión del cable de tierra aun sufre otra reducción gracias a una sucesión de ondas reflejadas, extraordinariamente rápidas, procedentes de las torres adyacentes. Esta reducción se realiza rápidamente en vanos cortos que en vanos largos.

Pararrayos

La aplicación de pararrayos en sistemas con el neutro conectado a tierra es algo más difícil que en los sistemas con neutro aislado. Los pararrayos normales que figuran catalogados por sus constructores para uso en sistemas con el neutro directamente unido a tierra, tiene señalada una tensión nominal eficaz máxima (tensión de ruptura) del 80 % de la tensión eficaz máxima entre fases del sistema. Esta tensión no debería ser rebasada en caso de tensiones anormales ocasionadas por la pérdida de la carga o por sobrevelocidad de los generadores. Los defectos a tierra, en determinadas condiciones, pueden ocasionar tensiones excesivas para los pararrayos.^[9]

Conductores de contra peso o contraantena 

Tratando de disminuir la resistencia de las tomas de tierra o de conseguir un efecto equivalente, requisito necesario para el buen funcionamiento de la protección por cables de tierra, se ha recurrido a tender largos trozos de cable, enterrados, unidos a los pies de las torres. Este dispositivo se ha adoptado en terrenos rocosos o arenosos donde las varillas, placas o estacas usuales de toma de tierra resultan poco eficaces. Los conductores mencionados han sido denominados de contrapeso. Como indica su nombre, además de la reducción de la resistencia, se espera obtener alguna ventaja de la capacidad a tierra de los conductores y conseguir una reducción en la diferencia de potencial entre los conductores de línea y de tierra, debido a la inducción mutua entre los conductores de línea y los de tierra con los de contrapeso. Se calcula que dos conductores enterrados, paralelos, tendidos de torre a torre, han de producir una protección equivalente a la conseguida con tomas en tierra de 10 ohm, aun en casos de terrenos de alta resistividad.

Las instalaciones de contrapeso o contraantena, tanto las de tipo radias, que se extienden diagonalmente desde la torre, como las de tipo paralelo, han resultado, en general, completamente satisfactorias, si bien los datos de ensayo, hasta la fecha, indican que el efecto de acoplamiento mutuo puede ser de menor importancia.

Las teorías propuestas por diversos investigadores como medio de calcular el número, disposición y longitud más convenientes de los conductores de contrapeso son complicadas, y es necesario confirmarlas con la experiencia. Para disminuir la resistencia de fugas, que es la que se obtiene efectuando mediciones con puente de corriente continua, hay que aumentar la longitud total del contrapeso, mientras que la impedancia ofrecida a las ondas de impulso o de choque se disminuye mejor aumentando el número de conductores que salen de la torre.