Alerta de primavera: tormentas electricas, rayos y proteccion de instalaciones en la temporada de lluvias

Septiembre marca el inicio de la primavera en Argentina y, con ella, el comienzo de la temporada de mayor actividad tormentosa en la region central del pais. Las tormentas de primavera y verano en la Pampa, el litoral y la region de Cuyo son eventos de alta intensidad que combinan lluvias torrenciales, granizo, fuertes vientos y descargas electricas atmosfericas. Esta actividad tormentosa representa un riesgo especifico y severo para las instalaciones electricas que requiere medidas de proteccion adecuadas. Las sobretensiones generadas por los rayos que impactan sobre lineas electricas o en sus proximidades son la principal causa de dano en equipos electronicos, inversores fotovoltaicos, tableros de distribucion y equipos industriales durante la temporada tormentosa.

Las sobretensiones de origen atmosferico se transmiten a las instalaciones electricas a traves de tres mecanismos principales. El primero es el impacto directo del rayo sobre la linea de distribucion, que genera una onda de sobretension que se propaga por la red y puede alcanzar a los usuarios conectados en kilometros de distancia. El segundo mecanismo es la induccion electromagnetica: un rayo que cae en las proximidades de una linea induce tensiones en la linea por acoplamiento inductivo, sin necesidad de impactar directamente sobre ella. El tercer mecanismo es la elevacion del potencial de tierra: un rayo que cae sobre el sistema de puesta a tierra de una instalacion puede elevar el potencial de tierra de esa instalacion respecto a otras instalaciones vecinas, generando tensiones peligrosas entre conductores aterrados de distintos equipos.

Los descargadores de sobretension (pararrayos o varistores de oxido de zinc) son los dispositivos de proteccion contra sobretensiones de origen atmosferico. Los pararrayos de distribucion (clase II o clase I segun la norma IEC 61643) se instalan en los tableros de distribucion para limitar la amplitud de las sobretensiones que alcanzan los equipos conectados. Un pararrayo de clase II con tension de proteccion de 1500V limite la sobretension a 1500V, protegiendo los equipos que tienen un nivel de aislamiento superior a ese valor. Los descargadores de clase I (pararrayos de entrada) se instalan en el punto de entrada de la instalacion y tienen una capacidad de impulso de corriente mayor, adecuada para las sobretensiones mas intensas que pueden transmitirse por la red.

La proteccion contra rayos de las instalaciones exteriores (edificios industriales, silos, tanques, antenas, postes de alumbrado) sigue los principios establecidos en la norma IRAM-IEC 62305. Esta norma define cuatro niveles de proteccion (LPL I al IV) segun el riesgo calculado para la instalacion, y establece los requisitos del sistema de proteccion externo (pararrayos, conductores de bajada, electrodos de tierra) y del sistema de proteccion interno (descargadores de sobretension en las instalaciones electricas y de comunicaciones). El calculo del nivel de riesgo requiere conocer la densidad de descargas atmosfericas al suelo del sitio (Ng, expresada en rayos/km2/ano), las dimensiones de la estructura y la consecuencia esperada de un impacto.

Los sistemas fotovoltaicos son especialmente vulnerables a las sobretensiones atmosfericas porque tienen conductores en la intemperie (el cableado DC entre paneles y el cableado de inversor) expuestos a la induccion electromagnetic de los rayos que caen en las proximidades. Los descargadores de sobretension tipo II para la instalacion en la caja de combinacion DC son un componente de proteccion recomendado en todas las instalaciones fotovoltaicas. En zonas de alta actividad tormentosa, puede ser necesario agregar descargadores de sobretension tipo I en el punto de conexion a la red AC del inversor. La tierra del sistema fotovoltaico debe estar integrada con la tierra de la instalacion electrica del edificio para evitar diferencias de potencial peligrosas entre los sistemas.

Los equipos electronicos industriales (PLCs, variadores de frecuencia, instrumentacion, sistemas de comunicacion industrial) son muy susceptibles a los transitorios de tension que acompanan a las sobretensiones atmosfericas. Estos transitorios, aunque de corta duracion (microsegundos), pueden superar ampliamente el nivel de aislamiento de los componentes electronicos y danyarlos permanentemente. La instalacion de descargadores de sobretension en los circuitos de alimentacion de los equipos electronicos y en las entradas de las senales analogicas y digitales es la proteccion basica que debe incluirse en todo panel de control industrial en zonas de actividad tormentosa significativa. Los descargadores de senales son componentes especificos para cada tipo de senal (4-20 mA, PT100, termopar, entrada digital, RS485, Profibus) y deben seleccionarse con la tension de umbral correcta para el nivel de senal del circuito.

El granizo es un fenomeno meteorologico asociado a las tormentas primaverales que puede generar danos mecanicos significativos en las instalaciones electricas exteriores. Los modulos fotovoltaicos son los componentes mas expuestos: los modulos certificados segun IEC 61215 han superado el ensayo de impacto con granizo de 25 mm de diametro a 23 m/s, pero granizos de mayor tamano (que son menos frecuentes pero ocurren en algunas tormentas severas) pueden fracturar el vidrio frontal del modulo y danyar las celulas. Las luminarias exteriores, los equipos de comunicacion montados en exterior y las estructuras metalicas de soporte de los equipos electricos tambien pueden sufrir danos por granizo de gran tamano. La inspeccion post-tormenta de las instalaciones exteriores es una practica recomendada despues de cada evento de granizo significativo.

Los cortes de suministro durante las tormentas son inevitables en cierto porcentaje de los eventos, independientemente del nivel de mantenimiento de la red. La preparacion de las instalaciones para operar durante un corte de suministro de duracion variable es una medida de resiliencia que las empresas y establecimientos criticos deben tomar. El grupo electrogeno de respaldo, correctamente mantenido y con combustible disponible, es la solucion tradicional. Los sistemas de almacenamiento con baterias (UPS de alta potencia o sistemas de baterias de larga duracion) son una alternativa mas moderna y silenciosa que se justifica en aplicaciones donde la autonomia necesaria no supera las pocas horas. La combinacion de generacion fotovoltaica con almacenamiento en bateria es una solucion resiliente y economicamente atractiva en contextos de alta frecuencia de cortes.

La proteccion de los transformadores de distribucion contra las sobretensiones atmosfericas es uno de los temas mas importantes de la gestion de activos de las distribuidoras en las zonas de alta actividad tormentosa. Los pararrayos de oxido de zinc instalados en los bornes de alta tension de los transformadores de distribucion son el componente de proteccion fundamental. Su vida util depende de la energia acumulada en los eventos de sobretension y debe verificarse periodicamente mediante medicion de la corriente resistiva de fuga. Un pararrayo con energia acumulada excesiva puede tener su caracteristica de conduccion degradada, lo que reduce su efectividad y puede incluso generar su falla en el proximo evento. El reemplazo preventivo de los pararrayos que han participado en eventos de gran magnitud o que han acumulado muchos anos de servicio es una practica de mantenimiento recomendada.

La cultura de la proteccion contra rayos en Argentina todavia tiene espacio para crecer en el sector industrial y en las instalaciones privadas. Muchas instalaciones de mediana escala operan sin descargadores de sobretension en sus tableros de distribucion, sin pararrayos en sus transformadores y sin coordinacion entre los sistemas de tierra de los distintos equipos. La consecuencia se manifiesta cada temporada tormentosa en danos en equipos electronicos, fallas de inversores fotovoltaicos y averias de variadores de frecuencia que generan costos de reparacion y paradas de produccion que podrian haberse evitado con una inversion preventiva modesta. IDEALCO puede asistir en la evaluacion del estado actual de proteccion de una instalacion y en el suministro de los descargadores y materiales necesarios para llevarla a un nivel adecuado de proteccion ante la proxima temporada tormentosa.