Impacto de Sobretensiones en Transformadores: Soluciones
- administracion
- 10 jul
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Las sobretensiones son picos de voltaje que pueden dañar los transformadores eléctricos, afectando su aislamiento, reduciendo su vida útil y generando costos elevados por fallas. En Colombia, estas ocurren principalmente por rayos y maniobras eléctricas, y representan un problema frecuente, especialmente en zonas rurales, donde las tasas de fallas son hasta 45 veces mayores que en áreas urbanas.
Puntos clave:
- Daños técnicos: Sobrecargas térmicas, deformaciones en devanados y fallas en el aislamiento.
- Consecuencias económicas: Altos costos por reparaciones, interrupciones prolongadas y pérdida de confianza de los usuarios.
- Normativas aplicables: El RETIE y la NTC 2050 exigen medidas de protección como dispositivos contra sobretensiones (SPD), sistemas de puesta a tierra y mantenimiento constante.
- Soluciones efectivas: Uso de SPD de Tipo 1, 2 y 3, sistemas de puesta a tierra adecuados y monitoreo continuo para prevenir fallas.
Proteger los transformadores no solo evita daños costosos, sino que también garantiza un suministro eléctrico confiable y el cumplimiento de normativas exigidas. Sistemas avanzados como Meglaprot y tecnologÃas de monitoreo remoto están transformando la manera en que se enfrentan estos desafÃos.
PROTECCIONES de TRANSFORMADORES ELÉCTRICOS: Evita Fallas y Pérdidas Millonarias AHORA
Problemas Causados por Sobretensiones en Transformadores
En Colombia, las sobretensiones representan una amenaza seria para los transformadores, con consecuencias que van desde daños técnicos especÃficos hasta pérdidas económicas importantes. Estos eventos afectan tanto a las empresas de servicios públicos como a los usuarios finales, causando problemas que se reflejan principalmente en daños al aislamiento y otros componentes internos.
Daños Técnicos en Transformadores
Cuando las sobretensiones superan los lÃmites de diseño, los transformadores pueden sufrir daños graves. Aunque el aislamiento de un transformador está diseñado para soportar hasta 2,5 veces su voltaje nominal, las sobretensiones atmosféricas pueden alcanzar entre 8 y 12 veces ese nivel. Por su parte, las sobretensiones de maniobra pueden ser de 2 a 4,5 veces mayores al voltaje de operación normal.
El aislamiento suele ser el primer componente afectado. Las ondas de choque generadas por las sobretensiones pueden provocar voltajes entre espiras que llegan a ser de 50 a 200 veces el voltaje nominal. Esto puede causar la ruptura dieléctrica del material aislante, especialmente si la humedad penetra en el sistema, ya que reduce considerablemente su resistencia dieléctrica. Como resultado, se generan descargas parciales que eventualmente terminan en una falla completa del equipo.
Los devanados también sufren las consecuencias, enfrentando deformaciones mecánicas debido a las fuerzas electromagnéticas. Además, el núcleo del transformador puede experimentar saturación magnética, lo que genera corrientes armónicas adicionales y acelera el deterioro del aislamiento.
Un caso real ilustra estos problemas: en una zona industrial costera, un transformador falló debido a la corrosión severa causada por la exposición a la sal marina. Esto llevó a la instalación de equipos con materiales más resistentes a la corrosión.
Sin embargo, los daños técnicos no son el único problema. Las sobretensiones también generan impactos financieros y operativos significativos.
Consecuencias Financieras y Operacionales
En términos económicos, las fallas de transformadores debido a sobretensiones son un problema importante en Colombia. El paÃs registra un Ãndice SAIDI de 9.480 minutos (158 horas), muy por encima de los estándares de paÃses desarrollados, donde este Ãndice es menor a 300 minutos.
En las zonas rurales, los transformadores presentan tasas de falla alarmantemente altas, hasta 45 veces superiores a lo normal, debido principalmente a la incidencia de rayos. Actualmente, se reportan más de 0,5 fallas por kilómetro al año en estas áreas, una cifra que supera en 30 veces la tasa observada en sistemas urbanos.
Los rayos son responsables de entre el 30% y el 50% de las interrupciones en sistemas de distribución de voltaje medio, y de hasta el 50% de los daños en transformadores de distribución en áreas rurales. Además, el tiempo promedio de reparación de un transformador de distribución alcanza las 200 horas.
En 2016, se reportaron 1.297 transformadores quemados en el paÃs. Esto implicó costos elevados de reemplazo y productividad perdida, además de la necesidad de sistemas de respaldo temporales durante las reparaciones. Los costos indirectos incluyen la pérdida de confianza de los clientes, multas por incumplimiento de estándares de calidad y otros gastos asociados.
Otro factor agravante es la variación del voltaje en la red, que puede oscilar entre +10% y -15% del valor nominal. Estas fluctuaciones incrementan los riesgos de fallas prematuras por sobrecalentamiento, afectando aún más la confiabilidad de los equipos.
Requisitos del Código NEC para Protección contra Sobretensiones
El Código Eléctrico Nacional (NEC) establece normas diseñadas para proteger a las personas y bienes de los riesgos eléctricos (Art. 90.1(A)) mediante disposiciones obligatorias para la protección contra sobretensiones en transformadores.
"El NEC reconoce en el ArtÃculo 90.1(A) que el propósito del Código es la protección práctica de las personas y la propiedad contra los peligros derivados del uso de la electricidad".
Reglas Obligatorias de Protección contra Sobretensiones
Desde la versión 2020 del NEC, se exige la instalación de dispositivos de protección contra sobretensiones (SPD). Según el ArtÃculo 230.67, todos los servicios eléctricos que alimenten unidades residenciales deben incluir un SPD, ya sea integrado en el equipo o instalado justo al lado.
Los SPD deben cumplir con ciertas especificaciones técnicas, como tener una corriente nominal de descarga (In) de al menos 10 kA. Asimismo, deben ser de Tipo 1 o Tipo 2, según la clasificación del NEC, y aplican tanto para instalaciones nuevas como para equipos de reemplazo.
La edición 2023 del NEC amplió el alcance del ArtÃculo 230.67, incluyendo ahora dormitorios, habitaciones de huéspedes y suites en hoteles y moteles, además de habitaciones para pacientes en hogares de ancianos e instalaciones de atención limitada. También se incorporaron requisitos para ubicaciones crÃticas como paneles de control industrial, sistemas de datos esenciales, bombas contra incendios, tableros de emergencia y sistemas de alarmas contra incendios.
En febrero de 2023, el NEC 2020 estaba vigente en 25 estados de Estados Unidos, mientras que otras versiones anteriores (2017, 2014 y 2008) permanecÃan en uso en otros estados. Esto es relevante para Colombia, ya que muchas empresas y proyectos de infraestructura en el paÃs adoptan estándares internacionales como el NEC.
Regulaciones en Colombia: RETIE y NTC-2050
En Colombia, el Reglamento Técnico de Instalaciones Eléctricas (RETIE) se actualiza regularmente para alinearse con estándares internacionales. Este reglamento establece pruebas y requisitos mÃnimos para garantizar la seguridad y el rendimiento de equipos eléctricos. Su cumplimiento es obligatorio en todo el paÃs.
La Norma Técnica Colombiana NTC 2050, basada en el NEC, complementa al RETIE al definir condiciones especÃficas para instalaciones eléctricas. Sin embargo, en caso de conflicto entre ambos, RETIE tiene prioridad.
Aspecto | RETIE | NTC-2050 |
Naturaleza | Reglamento técnico obligatorio | Estándar técnico opcional |
Emisor | Ministerio de Minas y EnergÃa | Basado en el NEC |
Enfoque | Requisitos especÃficos para generación, transmisión y distribución | Diseño de instalaciones eléctricas |
Prevalencia | Prevalece en caso de conflicto | Complementario a RETIE |
En abril de 2024, el Ministerio de Minas y EnergÃa publicará actualizaciones al RETIE. Solo se aceptarán certificados emitidos por organismos acreditados bajo este reglamento renovado. UL Solutions es uno de los organismos reconocidos por el Organismo Nacional de Acreditación de Colombia (ONAC) para emitir certificaciones RETIE 2024.
Estas normativas locales también regulan la instalación adecuada de SPD.
Pautas de Instalación de SPD
Para proteger transformadores, la instalación de SPD debe cumplir con directrices especÃficas. El ArtÃculo 242 del NEC 2023 detalla las ubicaciones permitidas para cada tipo de SPD.
- SPD Tipo 1: Se conectan al lado de suministro del desconectador de servicio o según el ArtÃculo 242.14. Deben estar vinculados al conductor de servicio puesto a tierra, al electrodo de puesta a tierra o al terminal de puesta a tierra del equipo en el equipo de servicio.
- SPD Tipo 2: Se instalan en el lado de carga de un dispositivo de sobrecorriente, ya sea en el edificio o estructura, o en sistemas derivados por separado.
- SPD Tipo 3: Se conectan en el lado de carga de la protección de sobrecorriente del circuito derivado, con una distancia mÃnima de 10 metros desde el desconectador del servicio, según las instrucciones del fabricante.
"El SPD debe ser una parte integral del equipo de servicio o debe ubicarse inmediatamente adyacente a él" - NEC 230.67(B).
En el caso de transformadores, deben instalarse siguiendo las instrucciones del fabricante y asegurándose de que las ventilaciones no estén bloqueadas. También es obligatorio incluir una barra terminal para conductores de puesta a tierra y remover cualquier recubrimiento no conductivo en los gabinetes del transformador para garantizar la continuidad eléctrica.
La instalación debe estar a cargo de personal calificado, quien también debe elaborar la documentación técnica correspondiente. En proyectos de mayor envergadura, se recomienda implementar sistemas de puesta a tierra y dispositivos de protección contra rayos.
Soluciones para Protección contra Sobretensiones en Transformadores
Proteger los transformadores de sobretensiones no solo es esencial para garantizar su funcionamiento, sino también para cumplir con las normativas vigentes. Aquà exploramos cómo combinar dispositivos de protección contra sobretensiones (SPD), sistemas de puesta a tierra efectivos y un mantenimiento constante para maximizar la seguridad y la eficiencia.
Dispositivos de Protección contra Sobretensiones (SPD)
Los SPD son la primera barrera de defensa frente a tensiones transitorias, ya que desvÃan el exceso de voltaje hacia la tierra, reduciendo asà el impacto de las ondas transitorias.
"Los arrestadores de sobretensión se usan para proteger equipos en sistemas eléctricos de subidas de voltaje por maniobras. En estaciones eléctricas, limitan daños en equipos vitales como transformadores."– Kimberley Keller,
Existen varios tipos de SPD, cada uno diseñado para diferentes niveles de protección:
- Tipo 1: Ideales para descargas directas o cercanas de rayos en el sistema de distribución principal.
- Tipo 2: Diseñados para mitigar sobretensiones causadas por rayos remotos o maniobras eléctricas.
- Tipo 3: Enfocados en proteger equipos sensibles, instalándose lo más cerca posible de estos.
Los componentes clave de estos dispositivos incluyen varistores, diodos supresores, tubos de descarga de gas y espacios de chispa. Los avances tecnológicos han llevado al uso de dispositivos sin espacios de descarga, como los basados en óxido de zinc (ZnO), que absorben energÃa de manera eficiente. Para obtener los mejores resultados, los SPD deben instalarse cerca del equipo protegido y en puntos estratégicos donde los cables intersectan un cÃrculo imaginario alrededor de los dispositivos. Además, una protección multinivel permite dividir la carga entre diferentes niveles, optimizando la seguridad.
Sistemas de Puesta a Tierra para Mayor Seguridad
Un sistema de puesta a tierra bien diseñado no solo ofrece un camino seguro para las corrientes de falla, sino que también ayuda a estabilizar los niveles de voltaje, evitando picos peligrosos que pueden multiplicar el voltaje normal hasta seis veces.
El diseño de estos sistemas depende de la resistividad del suelo. En terrenos con alta resistividad, soluciones como el suelo artificial de Hidrosolta mejoran la conductividad y disipan de manera eficiente las corrientes de falla. Las configuraciones de malla equipotencial son especialmente efectivas, ya que minimizan las diferencias de potencial entre las distintas partes metálicas de la instalación, superando a las disposiciones lineales o en estrella.
Sistemas de Protección Completos
La protección integral de transformadores combina varias tecnologÃas en un solo sistema. Por ejemplo, Meglaprot, desarrollado por Hidrosolta, integra protección contra sobretensiones, fallas y monitoreo en una solución única.
Este tipo de sistemas incluye:
- Protección contra sobrecorriente y sobrecargas: AÃsla el transformador ante flujos anómalos como cortocircuitos o sobrecargas.
- Protección térmica: Utiliza tiras bimetálicas, relés de sobrecarga o sensores de temperatura (RTD) para detectar aumentos de temperatura y prevenir daños.
- Dispositivos contra rayos (DSD): Ofrecen defensa frente a descargas atmosféricas y trabajan en conjunto con los sistemas de puesta a tierra para una protección coordinada.
Este enfoque integral requiere un monitoreo constante para garantizar su efectividad.
Mantenimiento Regular y Monitoreo
Para mantener la seguridad operativa y cumplir con normativas como el NEC y el RETIE, el mantenimiento preventivo y el monitoreo continuo son fundamentales. Herramientas como análisis de gases disueltos, inspecciones termográficas y pruebas eléctricas ayudan a detectar problemas antes de que se conviertan en fallas costosas.
Hidrosolta ofrece servicios especializados de diagnóstico que incluyen evaluaciones de sistemas de puesta a tierra, revisiones de la efectividad de los SPD y análisis integrales de los sistemas de protección. Registrar las inspecciones y el mantenimiento de manera sistemática permite identificar tendencias y planificar intervenciones preventivas de forma efectiva.
Tendencias Futuras en Protección contra Sobretensiones en Transformadores
El campo de la protección contra sobretensiones está en constante transformación, impulsado por avances tecnológicos y la creciente demanda de sistemas más inteligentes. Estas innovaciones están redefiniendo cómo se protegen los transformadores, haciéndolos más precisos y confiables. A continuación, exploramos las tecnologÃas emergentes que están marcando el rumbo en esta área.
Nuevas TecnologÃas en Protección contra Sobretensiones
El mercado global de dispositivos de protección contra sobretensiones sigue expandiéndose, con estimaciones que proyectan un valor de US$ 7.480 millones para 2032, lo que representa un crecimiento anual compuesto del 8,9% entre 2025 y 2032. Este aumento refleja un flujo constante de innovación en el sector.
Una de las tendencias más destacadas es la miniaturización. Esto es especialmente relevante en dispositivos inteligentes y sistemas IoT, donde los fabricantes están desarrollando protectores más compactos sin sacrificar su capacidad de protección. Estas soluciones son ideales para sistemas fotovoltaicos y estaciones de carga de vehÃculos eléctricos.
Por otro lado, los SPD hÃbridos, que combinan tecnologÃas MOV (varistores de óxido metálico) y GDT (tubos de descarga de gas), están ganando popularidad. Los GDT, en particular, ofrecen una alternativa más compacta y económica para aplicaciones de baja tensión, reemplazando a los MOV más voluminosos.
Además, la integración de sensores para monitoreo remoto está revolucionando el mantenimiento. Esta conectividad permite una detección temprana de fallas, optimizando el mantenimiento predictivo y reduciendo tiempos de inactividad no planificados.
Se han introducido productos con capacidades de activación y conmutación remotas, mejorando la seguridad eléctrica. También destacan los tableros de baja tensión con protección contra sobretensiones integrada, que aumentan la disponibilidad de las plantas y minimizan riesgos.
Sistemas de Mantenimiento Predictivo y Monitoreo
Los avances en sensores, análisis de datos e inteligencia artificial están transformando el mantenimiento predictivo de transformadores. Los algoritmos de aprendizaje automático permiten analizar grandes volúmenes de datos para identificar patrones que podrÃan indicar fallas futuras.
"El mantenimiento predictivo surgió como un enfoque proactivo destinado a identificar problemas potenciales antes de que se conviertan en fallas crÃticas. Al aprovechar tecnologÃas de monitoreo avanzadas, análisis de datos y algoritmos de aprendizaje automático, el mantenimiento predictivo permite la detección temprana de anomalÃas y desviaciones de las condiciones normales de operación, permitiendo a los equipos de mantenimiento intervenir estratégicamente y minimizar el tiempo de inactividad." - Mazi Hosseini, Arshon Inc. Blog
Las plataformas basadas en la nube y los sensores habilitados para IoT facilitan el monitoreo remoto y el diagnóstico predictivo. Estas herramientas permiten rastrear parámetros como vibración, temperatura, humedad y flujo magnético.
La inteligencia artificial también juega un papel clave al identificar problemas como descargas parciales y deformaciones en los devanados. Esto proporciona información en tiempo real sobre la ubicación y tipo de fallas, asà como la vida útil estimada de los componentes del transformador. Estas soluciones avanzadas permiten a las empresas pasar de un enfoque reactivo a uno proactivo, optimizando sus operaciones.
Cambios en Estándares y Regulaciones
El panorama regulatorio está cambiando para adaptarse a las nuevas tecnologÃas y necesidades del mercado. En Colombia, DEKRA Chile ha recibido la acreditación de la autoridad ONAC para certificar productos bajo los esquemas RETIE/RETILAP/RETIQ, a partir de enero de 2025.
La llegada de la tecnologÃa 5G al paÃs impulsará una mayor inversión en infraestructura, lo que requerirá actualizaciones en los estándares de protección contra sobretensiones. Esto será esencial para manejar las nuevas demandas de conectividad y densidad de equipos.
"La integración de IoT en ciudades inteligentes mejora la resistencia de la infraestructura mediante el empleo de dispositivos de protección contra sobretensiones que protegen los sistemas eléctricos crÃticos de picos de voltaje, asegurando asà el funcionamiento ininterrumpido de sistemas de transporte, servicios públicos y monitoreo de seguridad." - ArtÃculo del Instituto Multidisciplinario de Publicación Digital (MDPI)
Es probable que las regulaciones futuras se centren en la integración de dispositivos con monitoreo remoto y análisis predictivo, reflejando la transición hacia sistemas más conectados e inteligentes. Esto exigirá que los profesionales en Colombia se mantengan actualizados con los cambios normativos y adapten sus sistemas de protección.
Hidrosolta, por ejemplo, está preparada para apoyar esta transición con soluciones como Meglaprot y servicios especializados de diagnóstico. Estas herramientas ayudan a las organizaciones a cumplir con los estándares emergentes mientras aprovechan las últimas tecnologÃas en protección contra sobretensiones. Esto subraya la importancia de contar con sistemas integrados y actualizados para enfrentar los desafÃos del futuro.
Conclusión
Puntos Clave
Los desafÃos y costos asociados a las sobretensiones en transformadores son alarmantes. Por ejemplo, en zonas con alta actividad de rayos, las fallas en transformadores pueden ser hasta 45 veces más frecuentes. En Estados Unidos, estas sobretensiones generan un impacto económico anual de entre US$5 y US$6 mil millones, mientras que el costo promedio por hora de inactividad puede superar los US$130.000, llegando incluso a cifras de hasta cinco millones de dólares.
"Tenemos que dejar de pensar en los SPD como algo agradable de tener. Realmente son una necesidad."
- Kimberly Fairley, Gerente de Marketing de Productos, Dispositivos de Protección contra Sobretensiones y Sistemas de Barras SMISSLINE TP, ABB
El cumplimiento del Código NEC es clave para prevenir reparaciones costosas y garantizar la seguridad. Una estrategia efectiva incluye el uso de dispositivos de protección contra sobretensiones (SPD) de Tipo 1, Tipo 2 y Tipo 3, además de mantener los conductores lo más cortos posible para optimizar su desempeño.
"Hay tanto equipo instalado que potencialmente puede verse afectado negativamente por una sobretensión transitoria, y su falla podrÃa de alguna manera poner en peligro la propiedad que están protegiendo o las personas que están protegiendo."
- Brian House, Vicepresidente/Capacitación Digital y Técnica, Mike Holt Enterprises
Cumplir con la normativa NEC y adoptar estrategias de protección adecuadas no solo minimiza riesgos, sino que también reduce costos. Hidrosolta aborda estos desafÃos con soluciones innovadoras.
Cómo Hidrosolta Puede Ayudar
Hidrosolta se especializa en ofrecer soluciones integrales para proteger transformadores de manera eficiente. Según investigaciones de Hidrocol & Cia SAS, las configuraciones de puesta a tierra tradicionales, basadas en una o dos varillas, no siempre cumplen con los estándares de seguridad necesarios para controlar los voltajes de toque y paso.
El equipo de Hidrosolta ha realizado mediciones de campo que evidenciaron un voltaje de toque de 348 V al inyectar un impulso de corriente de 74 A en un poste con puesta a tierra convencional, demostrando que estas configuraciones no cumplen con los estándares de seguridad. Para solucionar esto, Hidrosolta implementa pozos de puesta a tierra capacitivos, que reducen la resistencia y controlan los voltajes de toque. Estas soluciones son compactas, económicas y adecuadas para espacios reducidos, sin comprometer la seguridad.
Además, Hidrosolta ofrece productos como Meglaprot, DSD y sistemas de suelo artificial, diseñados para conformar un esquema de protección completo. Estos productos cumplen con los estándares IEEE Std 80 y las regulaciones RETIE en Colombia. También proporcionan servicios de diagnóstico, medición y monitoreo remoto, lo que permite identificar vulnerabilidades y garantizar la seguridad de los transformadores, posicionándose como el aliado ideal para enfrentar los retos actuales y futuros en protección contra sobretensiones.
FAQs
¿Qué medidas se pueden tomar para proteger los transformadores en zonas rurales con alta incidencia de rayos?
Protección de transformadores en zonas rurales con alta incidencia de rayos
En las zonas rurales de Colombia, donde los rayos son frecuentes, proteger los transformadores es una prioridad. Una de las medidas más efectivas es instalar dispositivos de protección contra sobretensiones, como pararrayos y descargadores de sobretensión. Estos equipos desvÃan la energÃa de las descargas eléctricas hacia el sistema de puesta a tierra, evitando daños al transformador.
Un aspecto fundamental es contar con un sistema de puesta a tierra eficiente, que permita disipar de forma segura la energÃa generada por las descargas atmosféricas. Además, es ideal optar por sistemas diseñados especialmente para estas áreas, como los desarrollados por Hidrosolta, que ofrecen soluciones avanzadas para reducir riesgos.
Por último, realizar un mantenimiento periódico y asegurar una instalación correcta de estos sistemas es crucial. Esto no solo garantiza su funcionamiento adecuado, sino que también disminuye los daños y extiende la vida útil de los transformadores.
¿Cuáles son las ventajas de los dispositivos de protección contra sobretensiones (SPD) tipo 1, 2 y 3 para proteger transformadores?
Los dispositivos de protección contra sobretensiones (SPD) tipo 1, 2 y 3 trabajan en conjunto para brindar una protección completa frente a las sobretensiones que pueden afectar transformadores y otros equipos eléctricos.
- SPD tipo 1: Diseñados para soportar sobretensiones de alto voltaje, como las provocadas por rayos, estos dispositivos protegen la instalación contra impactos energéticos extremos.
- SPD tipo 2: Funcionan como una segunda barrera, enfrentando sobretensiones transitorias residuales y ofreciendo una capa extra de protección.
- SPD tipo 3: Se encargan de proteger los equipos más sensibles ante picos de voltaje menores y sobretensiones residuales, asegurando un rendimiento seguro y estable.
En conjunto, estos dispositivos conforman un sistema que reduce riesgos, alarga la vida útil de los transformadores y garantiza la seguridad de toda la instalación eléctrica.
¿Cómo ayuda el monitoreo remoto y el mantenimiento predictivo a proteger y extender la vida útil de los transformadores eléctricos?
El monitoreo remoto y el mantenimiento predictivo son herramientas esenciales para cuidar los transformadores eléctricos. Estas técnicas permiten detectar posibles fallas antes de que se conviertan en problemas mayores, lo que facilita realizar intervenciones preventivas a tiempo. AsÃ, se pueden evitar riesgos como sobretensiones, sobrecargas y otros daños que comprometan el funcionamiento.
Además, estas estrategias mejoran la gestión del mantenimiento al reducir tiempos de inactividad y prevenir fallas graves. Esto no solo alarga la vida útil de los transformadores, sino que también asegura un funcionamiento más seguro, eficiente y confiable.