Protección contra sobretensiones en transformadores.

Cómo proteger un transformador de las sobretensiones atmosféricas y por qué los microsegundos deciden el estado del aislamiento.

El calor abrasa a las personas. Las tormentas ponen a prueba a los transformadores.

Y lo hacen en microsegundos.

La temporada de calor tiene su propia física. El aire se estanca, el asfalto se ablanda y todos nosotros cambiamos lentamente de estado de agregación. La persona empieza a tratar la sombra como una propiedad premium, y cada apertura de la nevera suena como una decisión estratégica.

Y entonces llega la tormenta.

Por un momento da un respiro. La temperatura baja, el viento se mueve, el aire recupera el sentido. Solo que para la red eléctrica, esa misma tormenta no es un agradable descanso del calor. Es una prueba cuyo resultado puede decidirse en un tiempo más corto que un parpadeo. Mucho más corto.

0,000001 segundos. Eso dura un microsegundo.

Precisamente en esta escala se desarrolla el frente de una onda de rayo. ¿Tiene el transformador alguna posibilidad de sobrevivir? Sí, siempre que las decisiones correctas se hayan tomado antes de que aparezca el primer destello en el cielo.

La sobretensión que llega al transformador se desarrolla en microsegundos. El operador no tendrá tiempo de reaccionar. El controlador no convocará una reunión. El transformador tampoco tiene un momento para "preparar" su aislamiento. El resultado lo deciden las soluciones elegidas con antelación: la coordinación del aislamiento, el tipo y los parámetros del limitador de sobretensiones, su ubicación, la longitud de las conexiones y la calidad de todo el camino de derivación de la corriente de impulso.

Por eso, la protección contra rayos del transformador es un tema adecuado precisamente ahora. No porque la tormenta sea espectacular, sino porque recuerda una regla simple de la ingeniería eléctrica: las protecciones más importantes realizan su trabajo cuando nadie tiene tiempo para tomar decisiones.

¿Qué amenaza realmente al transformador durante una tormenta?

Un rayo no tiene que impactar directamente en el transformador para causar una sobretensión peligrosa. El impulso puede entrar en el sistema por varios caminos.

• Una descarga directa en una línea aérea introduce en ella una corriente de muy alto valor y una pendiente muy pronunciada.

• Un impacto cerca de la línea puede inducir una tensión en los conductores.

• Otra posibilidad es una descarga en una estructura, en la instalación de protección contra rayos o en el terreno, que provoca un cambio brusco de potencial en el sistema de puesta a tierra.

• La onda de sobretensión también puede llegar desde otra parte de la red, viajando a lo largo de los conductores y cables.

El transformador, por tanto, no ve tanto el destello en el cielo como la onda de tensión que aparece en sus bornes.

Si el valor y la pendiente de esa onda superan la capacidad del aislamiento para soportar el esfuerzo eléctrico, puede producirse un salto en el pasatapas, una perforación del aislamiento principal o un daño en el aislamiento entre espiras.

No todo evento termina en un cortocircuito inmediato. A veces, el impulso deja un debilitamiento, un daño local o el inicio de un proceso de degradación que se manifestará más tarde.

Por eso, la ausencia de una avería inmediatamente después de una tormenta no es automáticamente una prueba de que el sistema de protección haya funcionado a la perfección. El aislamiento puede recordar el estrés eléctrico, aunque no lleve un diario de eventos.

¿Por qué hablamos de microsegundos?

En la técnica de alta tensión, la resistencia de los equipos a las sobretensiones atmosféricas se evalúa, entre otros, mediante una onda de tensión normalizada. La designación 1,2/50 µs describe una forma de onda cuyo tiempo de subida convencional es de 1,2 microsegundos y cuyo tiempo de caída a la mitad del valor es de 50 microsegundos.

Es un modelo de ensayo, no un retrato fotográfico de cada rayo. Permite, sin embargo, comparar la rigidez dieléctrica de los equipos y establecer principios coherentes de coordinación del aislamiento.

Un microsegundo es la millonésima parte de un segundo. En 1,2 microsegundos, una onda electromagnética puede recorrer cientos de metros, dependiendo del medio de propagación. Desde el punto de vista humano, aún no ha ocurrido nada. Desde el punto de vista del transformador, la tensión ya ha alcanzado un nivel que puede decidir el estado de su aislamiento.

La pendiente del impulso es tan importante como su valor de pico. Para corrientes que varían rápidamente, cada tramo de conductor tiene inductancia. La tensión en tal conexión puede describirse mediante la relación:

UL = L × (ΔI / Δt)

Cuanto más rápido aumenta la corriente y mayor es la inductancia de la conexión, mayor es la caída de tensión adicional. Esta tensión puede sumarse a la tensión residual del limitador y aparecer en los bornes del equipo protegido.

El ejemplo es ilustrativo. Si una conexión tiene una inductancia de aproximadamente 1 µH y la corriente de impulso cambia a una velocidad de 10 kA/µs, la propia conexión puede aportar unos 10 kV. Esto no significa que cada metro de conductor siempre "cueste" exactamente 10 kV. Pero muestra la escala del fenómeno y explica por qué, en la protección contra sobretensiones, un camino corto es un parámetro eléctrico, y no una preferencia estética del instalador.

¿El pararrayos protege al transformador?

Sí, pero no por sí solo y no contra todos los escenarios.

El sistema externo de protección contra rayos debe interceptar la descarga directa sobre el objeto protegido, conducir la corriente por un camino definido y dispersarla en el suelo. De este modo, se reduce el riesgo de daños físicos a la estructura y de peligro para las personas. El alcance de esta protección se describe en la serie IEC 62305.

El limitador de sobretensiones trabaja en otro punto del problema. Su función es limitar la sobretensión en el equipo y derivar la corriente de impulso al sistema de puesta a tierra. En redes de media tensión, protege, entre otros, a transformadores, pasatapas y aparamenta de maniobra contra sobretensiones atmosféricas y de maniobra.

La coordinación del aislamiento une ambos mundos con el propio transformador. Consiste en seleccionar la rigidez del aislamiento, el nivel de protección de los limitadores y la configuración del sistema, de modo que el esfuerzo que llega al equipo se mantenga por debajo de su nivel de tensión soportada, con el margen adecuado.

Así, se puede tener una instalación de protección contra rayos correcta y, al mismo tiempo, dejar el transformador con una protección insuficiente contra la onda que llega por el conductor. También se puede elegir un buen limitador y reducir su eficacia con conexiones demasiado largas. La protección funciona como un sistema. El logotipo en un solo elemento no sustituye a la física de todo el recorrido del impulso.

¿Cómo funcionan los pararrayos, es decir, los limitadores de sobretensiones de óxidos metálicos?

En las redes modernas de corriente alterna, se utilizan ampliamente los limitadores de sobretensiones sin explosor con resistencias de óxidos metálicos. Sus requisitos se establecen en la IEC 60099-4 para sistemas con tensión máxima del equipo superior a 1 kV.

En el lenguaje cotidiano, a menudo se les llama pararrayos. Técnicamente, el término más preciso es limitador de sobretensiones, porque el dispositivo no atrapa el rayo como un guante de béisbol. Limita la tensión y crea un camino controlado para la corriente de impulso. Es una pequeña diferencia lingüística, pero detrás está todo el principio de funcionamiento.

El corazón del limitador son los bloques no lineales, generalmente basados en óxido de zinc (ZnO). En condiciones normales, el limitador tiene una resistencia muy alta y solo conduce una pequeña corriente de fuga. Cuando la tensión aumenta bruscamente, su característica cambia de forma muy intensa. El limitador comienza a conducir la corriente de impulso, derivándola a tierra y limitando la tensión en el equipo protegido.

Tras la desaparición de la sobretensión, vuelve a un estado de alta resistencia. No "traga" todo el rayo y no hace que la tensión desaparezca. La limita a un nivel determinado, denominado tensión residual o nivel de protección, y parte de la energía la absorbe y disipa.

Todo el proceso incluye la aparición de la sobretensión, el rápido aumento de la conductividad del limitador, el flujo de la corriente de impulso y el retorno del dispositivo a su estado de alta resistencia. Para que realmente proteja al transformador, la tensión residual, junto con las caídas adicionales en las conexiones, debe mantenerse seguramente por debajo de la rigidez dieléctrica al impulso del aislamiento.

ZnO, explosor o solución especial

En el mercado y en instalaciones más antiguas se pueden encontrar diferentes construcciones. No todas deben meterse en el mismo saco.

• El estándar moderno para la protección de transformadores son los limitadores sin explosor con bloques de ZnO. Reaccionan gracias a la fuerte no linealidad del material y pueden soportar sucesivos impulsos dentro de su capacidad declarada.

• Las construcciones más antiguas con explosor, a menudo con resistencias de carburo de silicio, siguen funcionando en parte de las instalaciones. En una modernización, se suele considerar el ZnO, pero la sustitución "uno por uno" sin verificar los parámetros de la red y la coordinación del aislamiento no es un buen atajo.

• También existen soluciones especiales, como limitadores con explosor externo utilizados en líneas, y construcciones para GIS (subestaciones encapsuladas). Su aplicación la decide la función, el sistema de aislamiento y el análisis de sobretensiones, no una clasificación por potencia de catálogo.

El más eficaz, por tanto, no significa el más impresionante en el catálogo. Significa adecuadamente seleccionado para la tensión, el sistema de puesta a tierra de la red, la energía esperada, el nivel LI del transformador y las condiciones ambientales.

Coordinación del aislamiento: la conversación más importante entre el transformador y el limitador

La norma IEC 60076-3 establece los requisitos de aislamiento, las pruebas dieléctricas y los niveles mínimos de ensayo para los transformadores. La serie IEC 60071 organiza los principios de coordinación del aislamiento para equipos e instalaciones por encima de 1 kV.

En la práctica del proyecto, hay que combinar al menos dos niveles:

• el nivel de tensión soportada al impulso atmosférico del transformador, a menudo abreviado LI,

• el nivel de protección proporcionado por el limitador en condiciones concretas de corriente y forma de impulso.

Entre ambos debe quedar un margen que tenga en cuenta las incertidumbres, la configuración de la instalación, la distancia al transformador, la inductancia de los conductores, los fenómenos de onda y las condiciones reales de trabajo.

No basta con comprobar si el número de la ficha del limitador es inferior al número de la documentación del transformador. La tensión que ve el aislamiento puede ser superior a la propia tensión residual. Se suman las caídas inductivas y el efecto de la distancia al equipo.

La versión más corta de esta regla es: el limitador no protege el catálogo del transformador. Protege a un transformador concreto en una instalación concreta.

Cómo seleccionar un limitador de sobretensiones para un transformador

La selección comienza con los datos del sistema, no con una sola tensión impresa en la carcasa.

✅ Tensión de trabajo continua (Uc)
El valor de Uc, es decir, la tensión de trabajo continua admisible, debe corresponder a la tensión más alta que pueda presentarse de forma duradera en el limitador. Influye el sistema de puesta a tierra del punto neutro y el aumento de tensión de las fases sanas durante un fallo a tierra.

• Un Uc demasiado bajo puede exponer al limitador a una sobrecarga durante una sobretensión temporal.

• Un Uc demasiado alto suele significar un nivel de protección más elevado, lo que puede reducir el margen para el aislamiento del transformador.

✅ Tensión nominal y resistencia a sobretensiones temporales (Ur y TOV)
Los parámetros Ur y TOV deben evaluarse junto con la duración de la posible sobretensión. El limitador debe sobrevivir al escenario real de un cortocircuito u otra perturbación en esa red concreta, y no solo al punto de trabajo nominal.

✅ Nivel de protección
La tensión residual debe compararse con el nivel de tensión soportada al impulso del transformador. Hay que añadir la influencia de las conexiones y la ubicación. Un valor bajo en la tabla es útil solo si la instalación permite aprovecharlo.

✅ Capacidad de absorción de energía y carga
La exposición depende de la configuración de la red. Una subestación alimentada por una línea aérea larga en una zona de alta actividad tormentosa tendrá requisitos diferentes a los de un equipo que trabaja en un sistema de cables. También influyen las sobretensiones de maniobra, la repetitividad de los impulsos y el carácter del objeto protegido.

✅ Condiciones ambientales y mecánicas
La altitud, la contaminación, la radiación UV, la temperatura, la humedad y las cargas mecánicas influyen en la selección del modelo. La elección de una carcasa de silicona o porcelana debe basarse en las condiciones del proyecto.

✅ Comportamiento en caso de fallo
Hay que tener en cuenta la clase de cortocircuito, la forma segura de despresurización o desconexión, y el riesgo para las personas y los equipos vecinos. La protección del transformador no debe crear un nuevo problema en el momento en que el propio limitador llegue al final de su capacidad operativa.

¿Por qué el lugar de montaje es tan importante como la selección?

El mejor limitador, colocado demasiado lejos del transformador, puede ofrecer una protección más débil que un dispositivo correctamente seleccionado e instalado junto al borne protegido.

Tres reglas deciden:

1. La menor distancia posible entre el limitador y el pasatapas del transformador.

2. Conexiones cortas, rectas y sin bucles en el lado de fase y de tierra.

3. Evitar bucles, cambios bruscos de dirección y tramos innecesarios de conductor.

Durante el flujo de la corriente de impulso, importa la impedancia de todo el recorrido, no solo la resistencia de puesta a tierra medida a la frecuencia de red o con un método adecuado para condiciones estáticas. Un impulso rápido "ve" la inductancia de los conductores, la geometría del sistema y la posición relativa de las conexiones.

Por eso, un conductor de mayor sección no corrige automáticamente el problema de una longitud excesiva. La sección sigue siendo importante por razones térmicas, mecánicas y de cortocircuito, pero con un impulso muy pronunciado, la geometría del recorrido puede decidir la tensión inducida.

Aquí es donde la teoría se encuentra con el detalle de ejecución. Un metro adicional de conductor puede parecer inocente. Para un impulso medido en microsegundos, es un elemento de pleno derecho del circuito.

Puesta a tierra: ¿dónde debe fluir realmente la energía?

El limitador de sobretensiones no elimina la energía del sistema. Le proporciona un camino controlado. Si ese camino tiene una alta impedancia al impulso o está trazado de forma que crea diferencias de potencial significativas, la tensión en el equipo protegido puede seguir alcanzando un nivel peligroso.

Un sistema eficaz requiere:

• continuidad de las conexiones,

• conexión correcta de la cuba del transformador, la estructura, las pantallas de los cables y el resto de elementos incluidos en el proyecto de puesta a tierra.

También es importante la igualación de potenciales. Durante una descarga, el potencial de la puesta a tierra local puede aumentar bruscamente. El objetivo no es mantener mágicamente toda la subestación a un potencial de cero ideal, sino limitar las diferencias de potencial peligrosas y garantizar un camino predecible para la corriente.

El valor de la resistencia de puesta a tierra por sí solo no cuenta toda la historia. También se necesitan una geometría adecuada, conexiones con la durabilidad apropiada, control de la corrosión y conformidad con el proyecto de protección contra rayos y los requisitos de la red.

La puesta a tierra es como una vía de evacuación. Saber que existe no es suficiente.
Debe llevar a donde debe, estar despejada y funcionar precisamente cuando hay aglomeración.

¿Una línea de cable elimina el riesgo de sobretensiones atmosféricas?

No. Cambia el perfil de riesgo, pero no lo anula.

El cable es menos vulnerable a un impacto directo que una línea aérea. Sin embargo, la onda puede entrar en el punto de transición de la línea aérea al cable, generarse por un aumento del potencial de tierra o llegar desde otra parte de la red. Las reflexiones en los límites de diferentes impedancias también modifican la tensión. Por eso, se analizan las terminaciones, la longitud del cable, las pantallas, la puesta a tierra y los puntos de limitación de sobretensiones. Un cable subterráneo no recibe inmunidad frente a las tormentas.

¿Basta con proteger el lado de media tensión?

El limitador en el lado de media tensión protege al transformador de la onda que llega de esa red, pero el impulso puede transmitirse entre los devanados. En el lado de baja tensión trabajan hoy en día controladores, inversores, equipos de medición, comunicación y automatización. Por eso, la protección debe ser en capas: incluir la MT, SPD coordinados en el lado de BT, circuitos auxiliares y de señalización, y la igualación de potenciales. La protección del transformador y de la electrónica son tareas relacionadas, pero no idénticas.

7 errores en la protección contra rayos del transformador

Un limitador mal seleccionado es como una puerta sólida instalada al lado de la entrada.

Parece profesional, pero el rayo no está obligado a usarla.

❌ Primer error: seleccionar únicamente por la tensión nominal de la red. Pasar por alto la puesta a tierra del punto neutro, el tiempo de fallo a tierra y la TOV puede dar un valor de Uc incorrecto. Un Uc demasiado bajo expone al dispositivo a una sobrecarga, y uno demasiado alto puede empeorar el nivel de protección.

❌ Segundo error: instalar el limitador lejos del pasatapas. En un impulso, no hay "solo un trozo de cable". Cada tramo aporta inductancia.

❌ Tercer error: tender conexiones largas y con bucles a la puesta a tierra. Un conductor bien colocado no siempre significa un buen camino para el impulso.

❌ Cuarto error: tratar la resistencia de puesta a tierra como la única medida de la calidad de la protección. El resultado de la medición es importante, pero no sustituye la evaluación de la continuidad, la geometría y la impedancia para los transitorios rápidos.

❌ Quinto error: falta de coordinación con el nivel de aislamiento del transformador. El limitador no puede seleccionarse al margen del LI, los pasatapas, los cables y la aparamenta de maniobra.

❌ Sexto error: omitir el lado de baja tensión y los circuitos auxiliares. El impulso normalmente no lee el alcance del suministro.

❌ Séptimo error: asumir que el limitador es eterno. Múltiples impulsos, humedad, daños y el deterioro de las conexiones pueden cambiar su estado.

Esto no significa cambiarlo después de cada tormenta, sino una inspección regular en lugar de la desiderativa "todavía parece que está bien".

Rayo contra presupuesto: por qué la protección simplemente vale la pena

El precio del limitador y de su instalación correcta es fácil de ver en el presupuesto. El coste de una avería del transformador tiene muchas más partidas, y algunas de ellas aparecen solo cuando el equipo deja de funcionar.

En la cuenta pueden entrar:

• el diagnóstico,

• el transporte del equipo pesado,

• el trabajo del servicio técnico,

• el alquiler de equipos,

• la reparación o sustitución del transformador,

• las actuaciones de emergencia,

• y la pérdida de continuidad del suministro.

En una planta de producción, se suma el coste del proceso detenido. En una instalación de infraestructura, importa la disponibilidad del servicio. En una planta fotovoltaica, cada hora de parada puede significar energía que ya no se podrá producir después.

Según la potencia del transformador y las consecuencias de la parada, el coste total del evento puede alcanzar rápidamente decenas o cientos de miles de euros, y en unidades grandes, mucho más. Sin embargo, no es prudente prometer que cualquier pararrayos resolverá el problema. El ahorro se produce solo cuando el dispositivo es parte de un sistema correctamente coordinado.

La inversión, por tanto, no incluye solo la compra del dispositivo. Incluye la selección, la ubicación adecuada, las conexiones cortas, una puesta a tierra eficaz, la protección de los niveles siguientes y el control posterior. Es menos espectacular que un vídeo de un rayo a cámara lenta. Pero tiene un aspecto mucho mejor en el informe de disponibilidad de la instalación.

Cómo controlar la protección después de la puesta en marcha de la subestación

La protección contra sobretensiones requiere inspecciones adaptadas al tipo de equipos, las recomendaciones del fabricante y la importancia de la instalación.

Durante la inspección, conviene tener en cuenta:

• el estado de la carcasa del limitador, la suciedad, los rastros de descargas y los daños mecánicos,

• la calidad de los bornes, las conexiones de fase y de tierra,

• la continuidad de las conexiones equipotenciales y el estado de la puesta a tierra,

• las indicaciones de los contadores de operaciones, si se han instalado,

• la tendencia de la corriente de fuga o de su componente resistiva en instalaciones con monitorización,

• la conformidad de la configuración de la subestación con el proyecto tras las modernizaciones.

El contador de impulsos informa de los eventos, pero no diagnostica el limitador. La monitorización de la corriente de fuga tampoco se interpreta por sí sola. El mayor valor lo da la tendencia y la comparación con los criterios del fabricante. Tras una tormenta fuerte o la actuación de las protecciones, conviene realizar una inspección específica, basada en el estado del dispositivo y el historial de exposiciones.

Una buena protección no lucha contra la tormenta. Gestiona sus efectos.

No podemos detener las descargas atmosféricas y difícilmente convenceremos a julio de que baje la temperatura por respeto a la infraestructura. Pero podemos decidir cómo la energía del impulso atravesará la subestación y qué tensión verá el aislamiento del transformador.

Una protección eficaz se crea cuando el transformador, el limitador, las conexiones, la puesta a tierra y los demás niveles de protección se tratan como un sistema único.

• El limitador debe tener los parámetros adecuados para la red.

• Debe estar cerca del borne protegido.

• El camino de la corriente debe ser corto y diseñado conscientemente.

• El nivel de protección debe mantener un margen adecuado respecto a la rigidez dieléctrica del aislamiento.

Son muchas dependencias para un evento que dura unas decenas de microsegundos.

Precisamente por eso, vale la pena resolverlo con tranquilidad en la fase de proyecto, antes de que aparezca la primera tormenta de verano sobre la subestación. Si estás seleccionando un transformador, una subestación transformadora o un sistema de protección contra sobretensiones, pongamos en común los parámetros de los equipos y la configuración de la red como un todo. Las buenas preguntas hechas hoy pueden hacer un trabajo muy concreto durante el próximo destello.

La energía merece un buen camino

No detendremos la tormenta. No pediremos a la descarga que espere a que termine la revisión, y difícilmente convenceremos a agosto de que baje la temperatura por respeto a la infraestructura. Pero podemos decidir qué ocurrirá en el momento en que la onda de sobretensión llegue a la subestación.

Podemos darle un camino corto y predecible a tierra. Podemos seleccionar el nivel de protección para la resistencia real del aislamiento. Podemos mirar el transformador, el limitador, los pasatapas, los conductores, los cables y la puesta a tierra como un sistema único, y no como siete partidas separadas en el pedido.

Y esa es una buena noticia. En el sector energético no tenemos control sobre todo, pero tenemos un enorme control sobre la calidad de las decisiones de diseño.

Gracias por dedicar tiempo a adentrarnos con nosotros en el mundo de los microsegundos. Sabemos que la protección contra sobretensiones no suena tan espectacular como el propio rayo. En la práctica, es precisamente ella la que permite que, tras el destello, el transformador siga haciendo su trabajo: sin drama, sin parada y sin una improvisación costosa.

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Gracias por la confianza, las preguntas y cada conversación técnica.

Son ellas las que ayudan a crear mejores proyectos.

La tormenta puede tener el último destello.
Pero no tiene por qué tener la última palabra.

Fuentes:

1. IEC 60071-1:2019, Insulation co-ordination, definitions, principles and rules

2. IEC 60099-4:2014, Metal-oxide surge arresters without gaps for AC systems

3. IEC 60076-3:2013 with Amendment 1:2018, Power transformers, insulation levels and dielectric tests

4. IEC 62305-1:2024, Protection against lightning, general principles

5. Siemens Energy, High voltage surge arresters product guide

6. Hubbell Power Systems, The Importance of Lead Length for Arrester Applications

7. Hitachi Energy, Medium voltage surge arrester MWK