¿Qué ocurre dentro de una junta de cable durante una descarga eléctrica?

Un rayo es una de las fuerzas más poderosas e impredecibles de la naturaleza. Un solo rayo puede transportar hasta 200 000 amperios de corriente, con temperaturas que alcanzan los 30 000 °C, cinco veces más calientes que la superficie del sol. Cuando un rayo de este tipo impacta una línea eléctrica o sus inmediaciones, la energía se propaga a lo largo de los conductores, y el sistema de cableado, incluyendo sus empalmes y terminaciones, debe soportar esta inmensa sobrecarga sin fallar. Pero, ¿qué sucede realmente dentro de un empalme de cable durante un rayo? Este artículo explora la física, los riesgos y la ingeniería que protege estas conexiones críticas.

1. Rayos: Una breve introducción a la amenaza

Un rayo es una descarga electrostática masiva que se produce entre nubes o entre una nube y el suelo. Cuando impacta contra una línea eléctrica o el suelo cercano, induce una sobretensión —un transitorio repentino de altísimo voltaje y corriente— que viaja a lo largo del conductor casi a la velocidad de la luz.

Características clave de una descarga eléctrica provocada por un rayo:

• Voltaje: Hasta varios millones de voltios (normalmente de 1 a 10 MV para la carrera principal).

• Corriente: de 10.000 a 200.000 amperios (típica: 30.000 A).

• Duración: Muy corta: desde unos pocos microsegundos hasta unos pocos cientos de microsegundos.

• Tiempo de subida: Extremadamente rápido: la corriente alcanza su valor máximo en 1-10 microsegundos.

Esta sobretensión se propaga a lo largo de la línea eléctrica, entrando en subestaciones, transformadores y sistemas de cableado. No discrimina; seguirá cualquier camino conductor que encuentre, incluido el conductor de un cable.

2. La trayectoria de la sobretensión: cómo un rayo entra en un sistema de cables.

Una sobretensión provocada por un rayo puede entrar en un sistema de cableado de varias maneras:

A. Impacto directo en la línea aérea
Si un rayo impacta directamente en una línea aérea, la corriente total del rayo viaja a lo largo del conductor hasta que llega a una terminación o empalme, donde puede continuar hacia el cable subterráneo.

B. Sobretensión inducida en una línea aérea
Aunque la línea no reciba un impacto directo, un impacto cercano induce una sobretensión en la línea por inducción electromagnética.

C. Aumento del potencial de tierra (tensión escalonada)
Un impacto en tierra cerca de una subestación o terminación de cable puede elevar el potencial de tierra, creando una descarga inversa: una sobretensión que viaja desde el suelo hacia el equipo.

D. A través de un transformador o cuadro de distribución
Los pararrayos en las subestaciones desvían la mayor parte de la sobretensión, pero algo de energía aún puede pasar a los cables.

Una vez que la sobretensión entra en el cable, viaja hasta la unión, y ahí es donde comienza la verdadera acción.

3. Lo que experimenta la articulación: voltaje, corriente y tensión.

Cuando una descarga eléctrica causada por un rayo alcanza una junta de cable, dicha junta se ve sometida a tres tensiones simultáneas:

A. Alto voltaje (sobretensión)
La sobretensión puede ser varias veces superior a la tensión de funcionamiento normal del cable. En un cable de 66 kV, es posible una sobretensión de 350 kV o más. Esta tensión extrema genera un campo eléctrico intenso dentro de la unión, muy superior a la tensión de funcionamiento normal.

B. Corriente elevada (corriente de sobretensión)
La sobretensión calienta el conductor y el conector. En una fracción de milisegundo, la temperatura del conductor puede aumentar significativamente (aunque brevemente) debido a la intensa corriente.

C. Alta tasa de cambio (di/dt)
El rápido aumento de la corriente crea un fuerte campo electromagnético, que puede inducir voltajes en los componentes adyacentes y generar fuerzas mecánicas.

El aislamiento, el conector y el sellado de la junta deben resistir este ataque combinado.

4. La vulnerabilidad de las uniones de cables

Las uniones de los cables son más vulnerables a los rayos que el propio cable porque:

• Presentan interfaces: la transición entre diferentes materiales (aislamiento, control de tensión, conector) crea puntos donde el campo eléctrico puede concentrarse.

• Se ensamblan en obra, por lo que la calidad de la instalación puede variar, lo que puede provocar huecos, contaminación o un contacto imperfecto.

• Contienen múltiples componentes: cada componente (cono de tensión, conector, cuerpo aislante) tiene su propia respuesta a la tensión y la corriente.

En caso de una descarga eléctrica provocada por un rayo, el punto más débil de la unión fallará primero.

5. Los primeros microsegundos: Distorsión del campo y descarga parcial

Cuando la sobretensión llega a la junta, el campo eléctrico se distorsiona temporalmente. La tensión en el corte de la protección —que ya es el punto de mayor tensión— se concentra aún más. El voltaje puede superar el voltaje de inicio de descarga parcial (PDIV), y comienzan a producirse pequeñas chispas —descargas parciales—.

¿Qué sucede durante la PD?

• Cada descarga libera una pequeña cantidad de energía (calor, rayos UV, ozono).

• La superficie aislante puede empezar a deformarse, formando un camino carbonizado.

• La descarga puede propagarse, creando una estructura similar a un árbol en el aislamiento.

En una junta bien diseñada, el sistema de control de tensiones (cono, Hi-K o NLR) limita esta distorsión del campo, evitando descargas parciales incluso en condiciones de sobretensión. Si el control de tensiones es inadecuado o está mal posicionado, las descargas parciales pueden escalar rápidamente hasta convertirse en una descarga disruptiva.

6. Descarga eléctrica repentina: La trayectoria del arco

Si la distorsión del campo es lo suficientemente severa, la descarga puede convertirse en una descarga disruptiva: un arco que salta del conductor a la pantalla o de una fase a otra. Una descarga disruptiva implica una ruptura total del aislamiento.

Tipos de descarga eléctrica en una junta:

• Descarga eléctrica interna: El arco eléctrico se produce dentro de la junta, quemando el aislamiento.

• Descarga eléctrica externa: El arco se produce a lo largo de la superficie de la junta o en la interfaz.

• Entre fases: en una unión trifásica, el arco puede saltar de un conductor a otro.

Una descarga disruptiva libera una gran cantidad de energía en una fracción de segundo. La onda de presión resultante puede romper la carcasa de la junta, y el arco puede vaporizar el conductor o conector. La junta queda destruida.

7. Efectos térmicos: El calor de la sobretensión

Aunque no se produzca una descarga disruptiva, la sobretensión calienta el conductor y el conector. El aumento de temperatura se puede calcular mediante la fórmula de calentamiento adiabático (suponiendo que no se pierde calor durante la breve sobretensión). Durante un breve periodo (por ejemplo, 20 microsegundos), la temperatura del conductor puede aumentar varias decenas de grados Celsius.

El calentamiento del conector es más significativo porque este tiene una resistencia mayor que el conductor (debido a su material y geometría). Si el conector no está bien engarzado, puede tener una resistencia mayor, creando un punto caliente que puede derretir o debilitar la conexión.

Expansión térmica: El calentamiento rápido provoca la expansión del conductor y del conector. Esto puede generar tensión mecánica en el conector y los componentes circundantes, desplazando potencialmente el cono de tensión o dañando el sellado.

8. Efectos mecánicos: La fuerza explosiva

El calentamiento rápido del conductor y el arco eléctrico —si se produce— generan una onda de presión dentro de la junta. La carcasa de la junta debe soportar esta presión sin romperse. La mayoría de las juntas modernas cuentan con una carcasa a prueba de roturas (por ejemplo, de poliéster reforzado con fibra de vidrio) capaz de contener la presión de una descarga disruptiva.

Fuerzas mecánicas: La alta corriente también genera fuertes fuerzas electromagnéticas que tienden a separar los conductores. Esto puede dañar el conector y el cable.

9. El papel de los pararrayos

Para proteger las uniones de los cables contra los rayos, se instalan pararrayos (también llamados descargadores de sobretensión) en puntos clave de la red:

• En la entrada de la subestación, para desviar la sobretensión a tierra.

• En las terminaciones montadas en postes, donde el cable se conecta a una línea aérea.

• En juntas situadas en lugares expuestos (por ejemplo, en parques eólicos o a lo largo de líneas de transmisión).

Un pararrayos es una resistencia no lineal que presenta una alta resistencia a tensión normal, pero se vuelve conductora a alta tensión, desviando la corriente de sobretensión a tierra. Al limitar la tensión que llega a la conexión, los pararrayos reducen el riesgo de descarga disruptiva y daños.

10. Diseño de uniones para resistir rayos

Los ingenieros diseñan empalmes de cables para que resistan los impactos de rayos utilizando diversas estrategias:

A. Control robusto del estrés
El sistema de control de tensiones (cono, Hi-K, NLR) está diseñado para soportar sobretensiones sin generar descargas parciales. Esto se verifica durante las pruebas de tipo con tensiones de impulso.

B. Alta rigidez dieléctrica
Los materiales aislantes (silicona, EPDM, XLPE) se seleccionan por su capacidad para soportar sobretensiones de alto voltaje.

C. Robustez mecánica
El conector y la carcasa están diseñados para soportar las fuerzas térmicas y mecánicas de una sobretensión.

D. Sellado y bloqueo de agua
El sellado impide la entrada de humedad, lo que podría reducir la rigidez dieléctrica del aislamiento y aumentar el riesgo de descarga disruptiva.

E. Pruebas de tipo con impulso
Las uniones de cables se someten a pruebas de impulso de rayo como parte de sus ensayos de tipo. La unión se somete a una forma de onda de voltaje que simula una descarga eléctrica (normalmente un impulso de 1,2 V/50 µs) a un nivel especificado por la norma correspondiente (por ejemplo, IEC 60840, IEC 62067). Una unión que supera esta prueba demuestra su capacidad para resistir descargas eléctricas.

11. El mundo real: Un escenario de impacto de rayo

Imaginemos un cable subterráneo de 66 kV que va desde una subestación hasta un parque eólico. Un rayo cae sobre un poste cercano y una sobretensión viaja a lo largo de la línea aérea hasta el cable. La sobretensión llega a la primera unión (a 100 m del poste).

• 0–2 µs: El voltaje en el punto de corte del blindaje aumenta rápidamente. El cono de tensión cumple su función, dispersando el campo.

• 2–10 µs: El voltaje alcanza un pico de 350 kV. El cono de tensión y el cuerpo aislante soportan la tensión; no se produce una descarga disruptiva.

• 10–50 µs: La corriente de sobretensión fluye a través del conector, calentándolo ligeramente. El conector se expande, pero el sistema de resorte o la presión del elastómero mantienen el contacto.

• 50–200 µs: El pico disminuye. La junta vuelve a su funcionamiento normal.

Si el cono de tensión estuviera mal colocado o si hubiera un hueco en el aislamiento, se produciría una descarga disruptiva que destruiría la junta y provocaría un apagón.

Durante una descarga eléctrica, una unión de cable es como una fortaleza sitiada. Debe soportar una sobretensión de un millón de voltios, una corriente de cien mil amperios y el intenso calor y las fuerzas mecánicas que las acompañan. El sistema de control de tensión, el aislamiento, el conector y la carcasa de la unión trabajan en conjunto para sobrevivir a este ataque.

Gracias a un diseño meticuloso, materiales robustos y pruebas rigurosas, las uniones de cables están diseñadas para resistir descargas eléctricas, garantizando así la fiabilidad de la red eléctrica incluso ante la fuerza más poderosa de la naturaleza. La próxima vez que haya una tormenta y las luces sigan encendidas, recuerde: en algún punto de la red, una unión de cables acaba de sobrevivir a una descarga eléctrica y cumplió su función sin hacer ruido.