Tipos De Pararrayos Para Transformadores Y Cómo Seleccionarlos

En los sistemas eléctricos modernos, con una creciente proporción de recursos energéticos distribuidos, las sobretensiones transitorias representan un desafío importante para el funcionamiento estable de los transformadores. Las sobretensiones causadas por rayos y maniobras de conmutación amenazan constantemente la seguridad de los transformadores. Como primera línea de defensa para la protección del aislamiento de los equipos, la selección y configuración de los pararrayos son fundamentales. Este artículo ofrece un análisis exhaustivo de los diferentes tipos de pararrayos y presenta una guía de selección sistemática para ayudar a evitar daños en los equipos y riesgos de inactividad derivados de cálculos de parámetros incorrectos, garantizando así la seguridad y la fiabilidad de la infraestructura eléctrica.

Tipos De Pararrayos Para Transformadores

Configuración Física e Integración en el Transformador

• Pararrayos Internos (sumergidos en aceite): Estos componentes se diseñan para instalarse directamente dentro del tanque del transformador, operando completamente sumergidos en el líquido aislante. Su función principal es suprimir los picos de voltaje justo donde se originan, deteniendo los impactos transitorios de descargas atmosféricas o maniobras internas. Lo interesante de esta alternativa es que te olvidas por completo de la contaminación ambiental y el polvo, además de que ahorras muchísimo espacio físico, ideal para subestaciones compactas donde cada centímetro cuenta. Este tipo de pararrayos es utilizado habitualmente por Daelim Belefic en los transformadores tipo pedestal.

• Pararrayos Externos (montaje independiente): Esta es la configuración clásica que todos vemos afuera. Se instalan de forma independiente sobre los bushings o en estructuras metálicas adyacentes, conectados en paralelo con el transformador. La gran ventaja aquí es que el mantenimiento es muy directo y cualquier operario puede hacer una inspección visual rápida para ver el estado del equipo. Eso sí, ten en cuenta que demandan una conexión sumamente firme y directa a la malla de puesta a tierra para drenar la energía de forma segura, ocupan más espacio en la instalación y quedan totalmente expuestos a las inclemencias del clima. Este tipo de pararrayos se utiliza habitualmente en transformadores de potencia de media y alta tensión de gran capacidad.

• Criterio de Integración en Fábrica: Montar e integrar estos pararrayos desde los talleres de fabricación es una práctica altamente recomendable, ya que se hace en entornos controlados que evitan que entre humedad microscópica al sistema. Además, al venir integrados de fábrica, la longitud de los conductores de conexión disminuye drásticamente. Esto es una ventaja técnica tremenda: a menor longitud, la inductancia asociada baja al mínimo y, por lo tanto, el esfuerzo dieléctrico que golpea a los devanados del transformador se reduce de manera notable.

Clasificación Tecnológica y Adaptación al Entorno del Proyecto

Tecnología del Elemento Activo:

Parámetro Técnico	Varistores de Óxido de Zinc (ZnO)	Carburo de Silicio (SiC)
Mecanismo de Operación	Sin explosores (Gapless). Conducción continua no lineal.	Con explosores en serie (Spark Gaps) necesarios para el corte de corriente.
Velocidad de Respuesta	< 25 nanosegundos. Respuesta instantánea al frente de onda.	Retraso por el tiempo de cebado del explosor de aire.
Requerimientos de Mantenimiento	Mínimos. Inspección visual de envolvente y medición de corriente de fuga resistiva.	Elevados. Monitoreo de la degradación y erosión de los electrodos del gap por arqueo.
Vida Útil Operativa	Alta, diseñado para > 20 años bajo condiciones nominales de energía.	Limitada por la fatiga térmica acumulativa en las cámaras de arqueo.
Uso Industrial Actual	Estándar global absoluto en transmisión, distribución y plantas industriales.	Tecnología antigua. Limitada a sistemas heredados o reemplazos directos.

Material del Envolvente según las Condiciones Ambientales:

• Envolventes Poliméricos: Están construidos con un tubo central de fibra de vidrio revestido con una capa exterior de silicona o polímero de alta resistencia. Su gran atractivo es su ligereza y soportan la intemperie sin problemas. Además, repelen muy bien la suciedad superficial y eliminan por completo el peligro de una explosión con proyección de fragmentos, lo cual es vital para cuidar la vida de los técnicos de mantenimiento. El único detalle que hay que vigilar es que, si compras un polímero de mala calidad, la radiación solar y el tiempo lo irán degradando prematuramente.

• Envolventes de Porcelana: Son el material clásico de toda la vida: un cilindro cerámico hueco sellado herméticamente en las puntas con tapas de metal. Lo mejor que tienen es su tremenda rigidez estructural y que no les afecta en absoluto la degradación química o solar, aguantando climas extremos sin inmutarse. Sin embargo, tienen dos contras importantes: son sumamente pesados y frágiles, por lo que un golpe externo o una sobrepresión interna los puede romper o hacer estallar en pedazos.

Referencias Normativas Internacionales

Norma	Enfoque Principal	Aplicación y Criterios Técnicos Críticos
IEEE Std C62.11	Pruebas y rendimiento de pararrayos de óxido metálico en CA.	• Define protocolos obligatorios de laboratorio para la manufactura. • Valida la capacidad térmica y estabilidad del varistor y la robustez mecánica ante cortocircuitos.
IEEE Std C62.22	Guía de aplicación de pararrayos en sistemas de CA.	• Proporciona la metodología matemática para la coordinación de aislamiento, selección y colocación en la red. • Evalúa el impacto de la inductancia parásita de los conductores.
IEC 60099-4	Pararrayos de óxido metálico sin explosores (gapless) en CA.	• Especifica métodos de ensayo y condiciones de servicio estándar. • Referencia para subestaciones en mercados bajo el marco europeo/global.
IEC 60071	Coordinación de aislamiento en sistemas de potencia.	• Reglas y principios para seleccionar las tensiones soportadas nominales. • Guía matemática para correlacionar las sobretensiones de la red con la rigidez dieléctrica requerida.
IEC 60076	Niveles de aislamiento, pruebas y distancias en aire para transformadores.	• Rige el diseño dieléctrico de transformadores de potencia inmersos en líquido. • Detalla ensayos de certificación (impulsos de rayo de frente completo y picado). • Define distancias mínimas de seguridad en el aire entre bushings y partes aterrizadas.

Categorización por Clase de Aplicación según el Tipo de Transformador

Según las directrices de la norma IEEE C62.11, los pararrayos no se eligen al tanteo; se organizan en clases muy claras según los niveles de voltaje del sistema, la energía que pueden disipar y la importancia (potencia) del transformador que van a proteger:

Clase de Pararrayos	Aplicaciones Típicas	Capacidad de Descarga de Energía / Corriente Nominal	Tipos de Transformadores Protegidos
Clase Distribución (Distribution Class)	Redes aéreas urbanas y rurales, líneas de distribución primaria.	5 – 10 kA (impulso de corriente normal/pesado). Baja capacidad térmica.	Transformadores de distribución monofásicos, trifásicos de poste y tipo Pedestal.
Clase Intermedia (Intermediate Class)	Subestaciones industriales, plantas de manufactura pesada, sistemas de distribución de media tensión.	10 kA (corriente nominal). Capacidad media de absorción de energía por maniobra.	Transformadores de subestación industrial y de potencia media (hasta 72.5 kV, potencias menores a 20 MVA).
Clase Estación (Station Class)	Subestaciones de transmisión, plantas de generación centralizada, puntos de interconexión de alta tensión.	10 kA – 20 kA. Máxima capacidad entálpica frente a sobretensiones por maniobra de líneas largas.	Transformadores de gran potencia (GSU), autotransformadores de transmisión y reactores de línea (> 72.5 kV).

Parámetros Técnicos de Coordinación y Escenarios del Sistema

Coordinación de Parámetros Clave:

• MCOV (Maximum Continuous Operating Voltage): Este valor nos dice cuál es el nivel máximo de tensión eficaz (rms) que el pararrayos puede aguantar de manera indefinida a frecuencia industrial sin calentarse de más ni dañarse. Es de vital importancia que el MCOV debe ser mayor que el voltaje máximo real fase-tierra de la red en cualquier condición de operación normal. Si calculas mal este número, el varistor entrará en un proceso peligroso llamado embalamiento térmico que lo destruirá por completo. Elegir el MCOV no es una fórmula fija; depende directamente de:

• Tensión máxima fase-tierra
• Configuración de puesta a tierra
• Requerimientos y curvas de Sobretensión Temporal (TOV) del fabricante

a)  Sistemas Sólidamente Aterrados

En las redes trifásicas con neutro sólidamente puesto a tierra, el coeficiente de conexión nos da la seguridad de que, si ocurre una falla de una fase a tierra, el voltaje en las otras dos fases no va a subir de forma descontrolada. El criterio de diseño en este caso nos dice que:

Donde Vm representa el voltaje máximo de diseño línea a línea de la red.

b) Sistemas Delta o No Aterrados (Impedancia Alta / Aislados)

Aquí la situación cambia drásticamente. En una red tipo Delta o aislada de tierra, cuando una fase se va a tierra de forma accidental, las otras dos fases elevan de inmediato su potencial respecto a tierra hasta alcanzar el valor total del voltaje entre fases (Vm), y pueden quedarse así por mucho tiempo. Por ende, para que los bloques de óxido de zinc no colapsen, el pararrayos debe diseñarse para resistir ese voltaje permanente entre fases:

Ahora bien, si la red cuenta con protecciones que despejan esa falla a tierra rápido (por ejemplo, < 10 segundos), podemos revisar la curva de capacidad TOV que nos entrega el fabricante. Aplicando el factor de ajuste térmico por tiempo, la selección se calcula así:

• Nivel Básico de Aislamiento al Impulso (BIL): es un parámetro que define la máxima tensión de cresta que el aislamiento del transformador (papel celulósico, barreras de cartón prensado y aceite mineral) puede soportar frente a un impulso de onda estándar de tipo rayo (1.2/50µs).

La coordinación de aislamiento consiste en asegurar que la tensión residual (tensión de descarga) del pararrayos sea inferior al BIL con un margen de seguridad estadística adecuado. Los valores de BIL no se eligen de forma arbitraria; están estandarizados internacionalmente por las normas IEEE C57.12.00 e IEC 60076-3. En la siguiente tabla, se presentan los valores típicos de BIL agrupados por clases de voltaje nominal del sistema.

Valores Típicos de BIL según Clases de Voltaje Nominal (IEEE C57.12.00)

Clase de Voltaje Nominal del Sistema (kV)	Voltaje Máximo del Sistema Vm​ (kV)	Valores Típicos de BIL del Transformador (kV)
15.0	15.5	95 / 110
34.5	38.0	150 / 200
69.0	72.5	250 / 350
115.0	121.0	450 / 550
230.0	242.0	825 / 750

• Relación Dinámica entre Tensión Residual y Curva de Soportabilidad del Aislamiento

Aquí está el secreto de todo: el transformador se mantiene a salvo porque la curva de respuesta voltaje-tiempo del pararrayos se sitúa siempre por debajo de la capacidad de resistencia del aislamiento del transformador. Cuando un rayo o transitorio de alta frecuencia golpea la red, el pararrayos reacciona en nanosegundos pasando de ser un aislante a un conductor súper eficiente. La tensión residual (Vres) es la caída de voltaje máxima que se genera entre las terminales del pararrayos mientras drena esa tremenda corriente de descarga.

Para hacer un diseño robusto y profesional en campo, no podemos ignorar tres factores de estrés físico reales:

• Efecto de la Tasa de Subida (dv/dt): Cuando llegan frentes de onda súper rápidos (como un rayo directo o la conmutación de un interruptor de vacío), la tensión residual del pararrayos se eleva a un valor crítico conocido como Tensión de Descarga frente a Impulso de Frente Rápido (Vff), que es sustancialmente más alto que la descarga de rayo normal.
• Envejecimiento Térmico y Humedad: Con los años de operación, el papel aislante y el aceite del transformador sufren degradación y oxidación, reduciendo su BIL real acumulado. Debemos elegir el pararrayos dejando un buen margen que prevea esta pérdida inevitable de rigidez.
• Suma de Caídas Inductivas Externas: El voltaje total real que termina golpeando al aislamiento del transformador (Vtotal) no es solo lo que dice el catálogo del pararrayos. Es la suma de esa tensión residual más la caída de voltaje inductiva que se genera en los cables de conexión debido a su longitud:

• Ejemplo de Cálculo del Margen de Protección para Sistema de 69 kV Sólidamente Puesto a Tierra.

Paso 1: Recopilación de Parámetros Técnicos

• Voltaje Máximo del Sistema (V_m): 72.5 kV_rms
• BIL del Transformador Seleccionado: 350 kV (Aislamiento nominal estándar)
• Nivel de Aislamiento ante Impulsos de Maniobra (BSL): Se calcula de forma normativa como el 83% del BIL, es decir:

BSL=0.83 × BIL=0.83 × 350 kV =290.5kV

Pararrayos de Óxido de Zinc (ZnO) Seleccionado (Catálogo):

• Tensión Nominal del Pararrayos: 60 kV_rms
• MCOV: 48 kV_rms
• Tensión Residual Máxima frente a Impulso de Rayo (10kA, 1.2/50µs): V_{res_rayo} = 162kV.
• Tensión Residual Máxima frente a Impulso de Maniobra (2 kA, frente lento): V_{res_maniobra} = 132 kV

Configuración Física de Conexión: Se debe usar un cable de interconexión total de 1.2 metros con una inductancia normal de 1µH/m, estimando una tasa de subida de corriente rápida de di/dt=10kA/µs .

Paso 2: Cálculo de la Tensión de Protección Efectiva frente a Rayo (V_ps)

Primero calculamos cuánta sobretensión inductiva extra nos van a aportar esos 1.2 metros de cable:

Ahora sumamos este valor transitorio a la tensión residual de catálogo para conocer el voltaje real en los bornes del transformador:

Paso 3: Evaluación del Margen de Protección frente a Impulso por Rayo (MP₁)

Siguiendo los lineamientos de la norma IEEE C62.22, aplicamos la fórmula para verificar si el factor de seguridad probabilístico contra descargas atmosféricas es adecuado:

Evaluación de Ingeniería: Un margen del 101.1% está muy por encima del mínimo del 20% exigido por la norma. Esto nos da una tranquilidad enorme y una reserva excelente contra fallas por rayos.

Paso 4: Evaluación del Margen de Protección frente a Impulso por Maniobra (MP₂)

Para el caso de maniobras de interruptores, tomamos la tensión residual directa del catálogo (Vres_maniobra = 132 kV).

Evaluación de Ingeniería: Este 120.0% supera con creces el límite crítico del 15% que pide la norma IEEE C62.22 para sobretensiones por maniobras. Queda demostrado que el pararrayos elegido protegerá perfectamente este valioso activo de 69 kV.

Requisitos según la Aplicación del Sistema:

• Integración de Energías Renovables (Sistemas Fotovoltaicos, Eólicos y BESS):

Las plantas solares, parques eólicos y los sistemas de baterías (BESS) son terrenos sumamente hostiles para los equipos eléctricos. Aquí necesitas pararrayos con una disipación térmica sobresaliente, porque los inversores inyectan armónicos y causan sobretensiones cíclicas de alta frecuencia de forma constante. Este fenómeno desgasta y fatiga los varistores comunes mucho más rápido de lo habitual. Por eso, en estos proyectos se recomienda usar varistores de óxido de zinc (ZnO) que garanticen una muy baja tensión residual, lo cual es clave para detener fallas de aislamiento provocadas por corrientes de cortocircuito elevadas y conmutaciones continuas en los bancos de capacitores.

• Desafíos Críticos en Aplicaciones de Energía Renovable:

A diferencia de una subestación tradicional, aquí la intermitencia climática y las altas frecuencias obligan a hilar muy fino en la coordinación del aislamiento y la selección del BIL. Los puntos críticos a cuidar son:

• Transitorios por Inversores: Un pararrayos genérico no frena el estrés repetitivo de alta frecuencia, lo que hace que esta energía golpee directo las primeras espiras del transformador, dañando el aislamiento sólido por descargas parciales.
  • Distorsión Armónica Severa: La conmutación constante de los inversores inyecta muchísimos armónicos en el devanado de baja tensión, lo que eleva las pérdidas por corrientes de Foucault y crea puntos calientes peligrosos.
  • Operaciones de Conmutación Frecuentes: Como la generación sube y baja según el sol o el viento, los interruptores de vacío actúan muchas veces al día, generando cortes bruscos de corriente que fatigan el dieléctrico.
  • Sobretensiones Temporales: Los rechazos de carga o pérdidas de referencia a tierra (efecto isla) obligan al pararrayos a conducir continuamente por varios segundos. Si no calculas bien el MCOV, el equipo se quemará por embalamiento térmico.

• Características Recomendadas del Pararrayos

Para mitigar estos riesgos y blindar los transformadores de potencia, el diseño y la fabricación del pararrayos deben alinearse estrictamente con las especificaciones de las normativas IEEE C62.11 e IEC 60099-4, enfocándose en las siguientes características:

Característica	Ventaja e Impacto Técnico
Diseño ZnO sin explosores (Gapless)	Cambia de estado en nanosegundos gracias a su alta no linealidad. Elimina las ondas cortadas bruscas que dañan las espiras del transformador.
Carcasa Polimérica (Silicona)	Ofrece alta hidrofobicidad contra contaminación ambiental. Es a prueba de explosiones (shatterproof), evitando metralla que destruya los bushings.
Alta Capacidad Térmica (kJ/kV)	Permite absorber descargas sucesivas y eventos TOV prolongados en plantas renovables sin perder estabilidad.
Clase Estación o Intermedia	Garantizan las tensiones residuales más bajas (máximo margen de protección para el BIL) y la mayor robustez mecánica estructural.

Ubicación Correcta del Pararrayos

¡Cuidado! Mientras más lejos pongas el pararrayos de los bushings del transformador, menos te va a servir. Su efectividad real en el campo depende casi por completo de la forma geométrica y física en que lo instales dentro de la subestación.

• Proximidad Crítica a los Bushings del Transformador
  Un error sumamente común en los diseños es colocar los pararrayos en pórticos o estructuras lejanas con cables largos. Si haces esto, la onda de sobretensión viaja por la barra, choca con el bushing del transformador y se refleja. Esta reflexión puede duplicar el voltaje de la onda antes de que el pararrayos se entere y actúe. Al acortar esa distancia al mínimo, eliminas ese lazo de reflexión y el transformador solo sentirá la tensión residual controlada de los varistores.

• Longitud Total de los Conductores de Conexión
  El cable que va desde la línea de alta tensión viva hasta la punta superior del pararrayos debe ser lo más corto y directo posible. A la frecuencia normal de la red (50 o 60 Hz), la reactancia de estos cables no afecta en nada. Pero cuando entra un transitorio de alta frecuencia (en el rango de kHz o MHz), cada centímetro de cable añade una reactancia inductiva enorme en serie. Esto frena el paso libre de la corriente de descarga, elevando peligrosamente el estrés dieléctrico sobre los devanados del transformador.

• Conductores de Puesta a Tierra Cortos y Directos
  Las conexiones a tierra deben ser cortas, directas y seguir una trayectoria recta hacia la carcasa o tanque del transformador. Evita a toda costa dejar bucles, rollos de cable sobrante o hacer curvas cerradas solo por estética. Cualquier camino con vueltas raras eleva la impedancia total del lazo y arruina la protección del sistema.

Recomendaciones de Instalación:

• Ubicación: Instalar el pararrayos lo más próximo posible a los bushings del transformador para cortar de raíz el rebote de la onda transitoria que duplica el voltaje pico.
• Trayectoria de Tierra: El conductor de tierra debe ser directo y buscar siempre conectar con el tanque del transformador, asegurando una referencia equipotencial verdaderamente sólida.
• Regla de Giro: Nunca hagas dobleces o esquinas a 90°. Cualquier cambio de dirección debe tener un radio de curvatura mínimo de 200 mm para evitar que se formen arcos eléctricos.

¿Cómo Seleccionar Pararrayos Para Su Transformador?

En este sentido podemos considerar los siguientes pasos:

• Paso 1: Tensión máxima del sistema
• Paso 2: Método de puesta a tierra (sólido o por impedancia).
• Paso 3: Cálculo de Sobretensiones Temporales (TOV) en caso de falla monofásica.
• Paso 4: Definición del MCOV adecuado.
• Paso 5: Selección de la clase del pararrayos.
• Paso 6: Verificación de coordinación BIL.
• Paso 7: Verificación del margen de protección.

A continuación se presenta un caso práctico para ejemplificar la metodología de selección:

Selección para un transformador elevador de 34.5 kV y 5MVA en una planta de generación distribuida.

Caso de Estudio Práctico: Selección para un Transformador de 34.5 kV

Veamos un ejemplo real de ingeniería para especificar los pararrayos de un transformador elevador de 5 MVA en una planta de generación distribuida.

• Datos de Entrada del Proyecto:
• Voltaje Nominal del Sistema: 34.5kV (Voltaje máximo de diseño V_m=38kV )
• Capacidad del Transformador: 5000 kVA (5 MVA)
• Nivel de Aislamiento del Transformador (BIL): 150 kV
• Clase de Pararrayos Seleccionada: Clase Intermedia (Debido a la exposición de la línea y criticidad del activo).

Analizaremos la selección bajo dos configuraciones de puesta a tierra completamente diferentes:

Escenario A: Sistema Sólidamente Aterrado

 Aplicamos nuestra ecuación básica:

• Selección de Clasificación Comercial: Nos inclinamos por un pararrayos comercial estándar con un MCOV de 24.4 kV (Voltaje Nominal de 30 kV).

• Verificación de Tensión Residual: Nos inclinamos por un pararrayos comercial estándar con un MCOV de 24.4 kV (Voltaje Nominal de 30 kV).
• Verificación de la Tensión Residual: El catálogo del fabricante nos indica que para un impulso de rayo de 10 kA, la tensión residual máxima es V_residual =79 kV

•  Cálculo del Margen de Protección (MP₁):

• Evaluación: Este margen del 89.8% supera holgadamente el 20% mínimo exigido por la norma IEEE C62.22.

Escenario B: Sistema No Aterrado (Conexión Delta)

• Cálculo de MCOV mínimo: Al no haber una referencia a tierra sólida, si ocurre una falla permanente fase-tierra, las otras fases se elevan al voltaje pleno entre fases, por lo que el cálculo del MCOV mínimo cambia:

• Selección de Clasificación Comercial: Nos vemos obligados a escoger un pararrayos con un MCOV comercial de al menos 39.0 kV (Voltaje Nominal de 48 kV).

• Verificación de Tensión Residual: Como tuvimos que adicionar más bloques de varistores para soportar ese voltaje continuo más alto, la tensión residual para el mismo impulso de 10 kA sube inevitablemente a Vresidual = 124 kV según catálogo.

• Cálculo del Margen de Protección (MP₁):

• Evaluación: Obtenemos un 20.9% de margen, cumpliendo de forma muy justa con el límite normativo del 20%. En este escenario, cualquier descuido o longitud excesiva en los cables de conexión de campo anularía por completo el margen real de protección, dejando el transformador en riesgo.

Finalmente, podemos concluir que el método de puesta a tierra del sistema es un aspecto clave en la selección de los niveles de MCOV; como hemos visto en el ejemplo, tenemos de nivel 30kV para sistemas con puesta a tierra mientras que para sistemas sin puesta a tierra tenemos de nivel 48kV.

Conclusión

Proteger un transformador de potencia no es algo que deba dejarse al azar o a la suerte; requiere una selección técnica rigurosa basada en datos reales de la red y las normativas vigentes. Pasar por alto las condiciones particulares del entorno del proyecto es una apuesta arriesgada que compromete la estabilidad de todo el suministro eléctrico.

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