Una vía de chispas es un dispositivo eléctrico diseñado para limitar las sobretensiones en instalaciones eléctricas y redes eléctricas . Inicialmente, un pararrayos era un dispositivo de protección contra sobretensiones basado en una vía de chispas. Luego, para limitar las sobretensiones, comenzaron a utilizarse dispositivos basados en semiconductores y varistores de óxido de metal , en relación con los cuales todavía se utiliza el término "pararrayos".
El fusible de soplado [1] [2] es un dispositivo eléctrico diseñado para proteger los sistemas de baja tensión con neutro aislado ( IT ) de la aparición de alta tensión en los mismos en caso de ruptura del aislamiento en transformadores. Es un entrehierro de acción simple de diseño especial [3] .
En las redes eléctricas, a menudo se producen picos de tensión pulsados provocados por la conmutación de dispositivos eléctricos, descargas atmosféricas u otros motivos. A pesar de la corta duración de una sobretensión de este tipo, puede ser suficiente para romper el aislamiento o las uniones pn de los dispositivos semiconductores y, como resultado, un cortocircuito , lo que puede tener consecuencias devastadoras. [4] Se puede usar un mejor aislamiento y semiconductores de mayor voltaje para eliminar la posibilidad de un cortocircuito, pero esto resulta en un aumento significativo en el costo del equipo. En este sentido, es recomendable utilizar pararrayos en las redes eléctricas.
El pararrayos consta de dos electrodos y un dispositivo de arco.
Uno de los electrodos está conectado al circuito protegido, el segundo electrodo está conectado a tierra . El espacio entre los electrodos se llama espacio de chispa . A un cierto valor de voltaje entre los dos electrodos, el espacio de chispa se abre , eliminando así el sobrevoltaje de la sección protegida del circuito. Uno de los principales requisitos del pararrayos es garantizar la rigidez eléctrica a frecuencia industrial (el pararrayos no debe romperse en el funcionamiento normal de la red).
Después de una ruptura por pulso, el espacio de chispas se ioniza lo suficiente como para romper el voltaje de fase del modo normal, en relación con lo cual se produce un cortocircuito y, como resultado, el funcionamiento de los dispositivos RPA que protegen esta área. La tarea del dispositivo de extinción de arco es eliminar este cortocircuito en el menor tiempo posible antes de que se activen los dispositivos de protección.
El espacio de aire es un tubo de extinción de arco hecho de polímeros capaces de sufrir una degradación térmica con la liberación de una cantidad significativa de gases y sin carbonización significativa: cloruro de polivinilo o plexiglás (originalmente, a principios del siglo XX, era fibra ) , desde diferentes extremos de los cuales se fijan electrodos. Un electrodo está conectado a tierra y el segundo está ubicado a cierta distancia de él (la distancia determina el voltaje de operación o ruptura del pararrayos) y tiene una conexión eléctrica directa al conductor de línea protegido. Como resultado de una avería, se produce una intensa generación de gas (plasma) en el tubo y se forma una ráfaga longitudinal a través del orificio de escape, suficiente para extinguir el arco. En un descargador de aire de tipo abierto, los gases de plasma se liberan a la atmósfera. La tensión de ruptura de los descargadores de aire es superior a 1 kV.
El diseño y el principio de funcionamiento son idénticos al descargador de aire. La descarga eléctrica se produce en un volumen cerrado (tubo de cerámica) lleno de gases inertes. El proceso de descarga eléctrica en medio gaseoso permite proporcionar las mejores características de velocidad de actuación y extinción del pararrayos. El voltaje de ruptura de un espacio de chispas lleno de gas es de 60 voltios a 5 kilovoltios. En los circuitos eléctricos de señal del voltaje apropiado, se puede usar una lámpara de neón en miniatura como un espacio de chispa .
También se utilizan descargadores de gas de tres electrodos, diseñados para limitar las sobretensiones en pares de cables que no están conectados galvánicamente a tierra durante el funcionamiento normal.
Los pararrayos de gas pueden equiparse con protección térmica. Por lo general, este es un clip de metal especial (o soporte), que se une al cuerpo del pararrayos con soldadura fusible. Después de calentar y alcanzar cierta temperatura, los electrodos se cortocircuitan entre sí con un clip metálico, lo que provoca el funcionamiento de los elementos de protección restantes.
Una vía de chispas operada por válvula consta de dos componentes principales: una vía de chispas múltiple (que consta de varias vías de chispas individuales conectadas en serie) y una resistencia de trabajo (que consta de una serie de discos vilite). El espacio de chispa múltiple está conectado en serie con una resistencia en funcionamiento . Debido al hecho de que vilite cambia de características cuando se humedece, la resistencia de trabajo está sellada herméticamente del entorno externo. Durante una sobretensión, se abre paso una vía de chispas múltiple, la tarea de la resistencia de trabajo es reducir el valor de la corriente de seguimiento a un valor que pueda extinguirse con éxito mediante las vías de chispas. Vilite tiene una propiedad especial: su resistencia no es lineal, disminuye al aumentar la intensidad de la corriente. Esta propiedad permite que pase más corriente con menos caída de voltaje. Gracias a esta propiedad, los descargadores de válvulas obtuvieron su nombre. Otras ventajas de los pararrayos de válvula incluyen un funcionamiento silencioso y sin emisiones de gas o llamas.
RVMG consta de varios bloques sucesivos con una chispa magnética y un número correspondiente de discos de wilite. Cada bloque de chispas magnéticas es una conexión alternativa de chispas individuales e imanes permanentes encerrados en un cilindro de porcelana .
Durante una avería en vías de chispas individuales, surge un arco que, debido a la acción del campo magnético creado por el imán anular, comienza a girar a alta velocidad, lo que garantiza una extinción del arco más rápida en comparación con las vías de chispas de tipo válvula.
Durante el funcionamiento, el aislamiento de los equipos de la red eléctrica está expuesto a la tensión de funcionamiento, así como a diversos tipos de sobretensiones, como rayos, maniobras, cuasiestacionarias. Los principales dispositivos para la protección de redes contra rayos y sobretensiones de maniobra son los descargadores de válvulas (RV) y los descargadores de sobretensiones no lineales (OPN). Al construir o actualizar los circuitos de protección contra sobretensiones existentes con la ayuda de pararrayos y RT, es necesario resolver dos tareas principales que están estrechamente relacionadas entre sí:
Las propiedades protectoras de RV y pararrayos se basan en la no linealidad de las características de corriente-voltaje de sus elementos de trabajo, lo que proporciona una disminución notable de la resistencia a voltajes elevados y un retorno a su estado original después de que el voltaje se reduce al funcionamiento normal. La baja no linealidad de las características corriente-tensión de los elementos de trabajo en los pararrayos no permitió proporcionar simultáneamente una limitación de sobretensión suficientemente profunda y una corriente de conducción baja cuando se expuso a la tensión de funcionamiento, de cuya influencia fue posible desconectarse por introduciendo vías de chispas en serie con el elemento no lineal. La no linealidad significativamente mayor de la resistencia de los varistores de óxido de zinc de los pararrayos de los pararrayos permitió abandonar el uso de vías de chispas en su diseño, es decir, los elementos no lineales del pararrayos están conectados a la red a lo largo de su toda la vida útil.
En la actualidad, los pararrayos de válvulas están prácticamente fuera de producción y en la mayoría de los casos han cumplido su vida útil estándar. La construcción de circuitos de protección de aislamiento de equipos para subestaciones tanto nuevas como modernizadas, contra rayos y sobretensiones de maniobra, ahora solo es posible con el uso de pararrayos.
La identidad del propósito funcional de los RT y los pararrayos y la aparente simplicidad del diseño de estos últimos conducen a menudo al hecho de que la sustitución de los pararrayos por pararrayos se lleva a cabo sin verificar la admisibilidad y la eficiencia del uso del pararrayos instalado en el punto en la red bajo consideración. Esto explica el aumento de la siniestralidad de OPN.
Además de la elección incorrecta de las ubicaciones de instalación y las características de los descargadores, otra causa de daño a los descargadores son los varistores de mala calidad utilizados en su montaje, que incluyen principalmente varistores chinos e indios.
Los espacios de chispas de varilla, también conocidos como bocinas protectoras de arco, se utilizan para proteger los cables protegidos contra el desgaste y transferir cortocircuitos monofásicos. en dos fases. Para que se produzca un arco, se requiere una corriente de cortocircuito superior a 1 kA. Debido al voltaje relativamente bajo (6-10 kV versus 20 kV en las redes finlandesas) y la alta resistencia a tierra, las "bocinas protectoras de arco" en las redes rusas son ineficaces.
Actualmente, están prohibidos en líneas aéreas de 6-10 kV por el "Reglamento de política técnica" de la Federal Grid Company. Sin embargo, debido a su extrema simplicidad y bajo costo, las vías de chispas se instalan de facto en algunas FER.
El principio de funcionamiento del pararrayos se basa en el uso del efecto de una descarga deslizante, que proporciona una gran longitud de superposición pulsada sobre la superficie del pararrayos, y la prevención, debido a esto, de la transición de la superposición pulsada. en un arco de potencia de corriente de frecuencia industrial. El elemento de descarga del RDI, a lo largo del cual se desarrolla la descarga deslizante, tiene una longitud varias veces mayor que la longitud del aislador de la línea protegida. El diseño del pararrayos asegura su menor fuerza eléctrica de impulso en comparación con el aislamiento protegido. La característica principal del espacio de chispa largo es que, debido a la gran longitud de la cobertura del rayo pulsado, la probabilidad de establecer un arco de cortocircuito se reduce a cero.
Hay varias modificaciones del RDI, que difieren en el propósito y las características de las líneas aéreas en las que se utilizan.
Los RDI están diseñados para proteger las líneas eléctricas aéreas con una tensión de 6-10 kV de corriente alterna trifásica con cables protegidos y pelados de sobretensiones inducidas por rayos y sus consecuencias, y caídas directas de rayos; diseñado para funcionar en exteriores a temperatura ambiente de menos 60 °C a más 50 °C durante 30 años.
La principal ventaja de RDI es que la descarga se desarrolla a lo largo del aparato a través del aire, y no dentro de él. Esto le permite aumentar significativamente la vida útil de los productos y aumenta su confiabilidad.
El pararrayos multicámara consta de un elemento de descarga y una unidad de fijación. Como elemento de descarga, se utiliza un sistema de múltiples cámaras, que incluye varias cámaras de supresión de arco.
El principio de funcionamiento de una vía de chispas multicámara se basa en la extinción del arco en un pulso, que se produce como resultado de sobretensiones inducidas.
La relación entre los rayos directos y la sobretensión inducida es, en promedio, del 10 al 20 % (para el centro de Rusia, del 20 al 30 %) al 80 al 90 % [5] .
En comparación con un espacio de chispa largo, un espacio de múltiples cámaras está diseñado para una corriente de cortocircuito más alta. Esto lo hace aplicable a una gama más amplia de líneas aéreas, además tiene una mayor compacidad.
En los diagramas de circuitos eléctricos en Rusia, los pararrayos se designan de acuerdo con GOST 2.727-68.
1. Designación general del pararrayos
2. Pararrayos tubular
3. Válvula y pararrayos de válvula magnética 4.
Pararrayos, varistor
5. Fusible fundido
6. Descargador de gas
7. Descargador de gas de tres electrodos
8. Descargador de gas con protección térmica
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