Anillos de gradación para pararrayos

I. El "Umbral de Tensión": ¿Cuándo Empezamos a Usarlos?

La configuración de los anillos de guarda para los descargadores de óxido metálico (MOA) sigue estrictas normas de ingeniería basadas en el nivel de tensión y la altura física:

1. $\le 35\text{kV}$: Rara vez utilizados. La altura física del descargador es pequeña (generalmente $<1\text{m}$), y el impacto de la capacitancia parásita en la distribución de potencial es despreciable.
2. $66\text{kV}$: Nivel de transición. No es estándar para todas las aplicaciones, pero puede utilizarse en zonas de gran altitud o fuertemente contaminadas para suprimir el efecto corona.
3. $110\text{kV}$: Umbral crítico. Este es el punto de inflexión en ingeniería. La altura del descargador aumenta significativamente y la distribución de potencial axial se vuelve desigual. Los anillos de guarda son obligatorios a partir de 110kV.
4. $220\text{kV}$ a $1000\text{kV}$ (UHV): Configuración obligatoria estándar. A medida que aumenta la tensión, los anillos de guarda evolucionan hacia estructuras complejas (anillos dobles, anillos elípticos o tipo jaula) para manejar la distorsión extrema del campo eléctrico.

II. Los Tres Pilares de la Funcionalidad

1. Optimización de la Distribución de Potencial Axial

Un descargador de sobretensiones consta de una pila de cientos de varistores de óxido de zinc (ZnO). Idealmente, cada varistor debería compartir la tensión por igual. Sin embargo, a altas tensiones, la capacitancia parásita (CgCg) entre los accesorios superiores y tierra provoca una "fuga de corriente" hacia el aire.

• El problema: Sin un anillo, el 20% superior de los varistores soporta casi el 50% de la tensión total, lo que provoca un sobrecalentamiento localizado y un envejecimiento prematuro.
• La solución: El anillo de guarda proporciona una capacitancia de compensación que contrarresta la capacitancia parásita, forzando a que la tensión se distribuya linealmente a lo largo de la pila.

2. Supresión del Efecto Corona

Las partes metálicas afiladas (pernos, bordes de bridas) en la parte superior del descargador tienen un radio de curvatura ($R$) muy pequeño. Según la fórmula $E=V/R$, un radio pequeño conduce a una intensidad de campo eléctrico ($E$) extremadamente alta.

• El problema: Cuando $E$ supera $30\text{kV/cm}$, el aire se ioniza, provocando una descarga de corona, que genera ozono que corroe los sellos y causa EMI (Interferencia Electromagnética).
• La solución: El anillo ecualizador, con su gran diámetro de tubo, aumenta el radio de curvatura en el extremo de alta tensión, alejando el campo de alta intensidad de la superficie metálica y "suavizando" eficazmente el campo.

3. Evolución estructural en los niveles de tensión

A medida que aumenta la tensión del sistema, el anillo ecualizador evoluciona de un simple aro metálico a sistemas complejos de múltiples etapas:

1. $110\text{kV}-220\text{kV}$ (Anillo simple): Principalmente para la distribución de potencial. El diámetro del tubo suele ser de $40\text{mm}-60\text{mm}$.
2. $500\text{kV}$ (Anillo grande/elíptico): Los pararrayos pueden tener más de 5 metros de altura. Se utilizan anillos de gran diámetro o elípticos para garantizar la cobertura manteniendo la distancia entre fases.
3. $750\text{kV}-1000\text{kV}$ (Anillo de múltiples etapas/jaula): Los sistemas UHV utilizan "anillos dobles" o "anillos de jaula". Estos ajustan con precisión el potencial de cada sección de la pila de varistores para evitar la ruptura térmica en campos eléctricos extremos.

Lista de verificación de ingeniería para el mantenimiento

Al realizar inspecciones en el sitio, tenga en cuenta estos consejos de expertos:

1. Verificación de 110kV: Si se encuentra con un pararrayos de $110\text{kV}$ sin anillo ecualizador, o si el anillo está severamente inclinado, debe rectificarse de inmediato. Es probable que los varistores superiores se degraden en un plazo de $2-3$ años.
2. Precisión de la altura de montaje: El plano central del anillo debe alinearse con el centro de la primera sección del varistor. Un error vertical de $>50\text{mm}$ reduce la eficiencia de ecualización en más de un $15\%$.
3. Objetos extraños: No permita nunca que nidos de pájaros o cables sueltos cuelguen del anillo. Estos objetos rompen el equilibrio del "radio de curvatura" y pueden provocar directamente cortocircuitos entre fases.

Nota de ingeniería de ROCKWILL: Para proyectos EHV/UHV, utilice siempre anillos ecualizadores que hayan sido verificados mediante una precisa simulación de campo eléctrico (FEA) para garantizar la estabilidad del ciclo de vida de $50\text{-year}$ del equipo.

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Editado de:Dyson