Problemas y Soluciones de SPD para Circuitos Secundarios de Transformadores de Voltaje

Este documento analiza en profundidad la situación anterior y resume las medidas técnicas para resolver los problemas.

1. Principales Problemas de los Productos SPD en los Circuitos Secundarios del Transformador de Voltaje

Actualmente, existen SPD sin corriente residual (pararrayos de tipo interruptor) tanto en el extranjero como en el país. Sus principales circuitos de descarga interna utilizan tubos/gaps de descarga, con una alta capacidad de corriente de descarga (superior a los varistores de óxido de zinc). Sin embargo, tienen defectos fatales: mala limitación de voltaje, tensión de arrastre de arco y tiempo de respuesta largo (hasta 100 ns). Estos impiden que el equipo del circuito secundario reciba la protección adecuada. Peor aún, la tensión de arrastre de arco a menudo reduce la tensión del circuito secundario del transformador de voltaje (100 V) a varios voltios, lo que hace que el sistema de medición y control muestre una pérdida de tensión en la línea de alta tensión. Por lo tanto, los pararrayos de tipo interruptor no son utilizables.

2. Soluciones y Contenidos Principales

Los elementos de descarga nucleares comunes de SPD en el mercado incluyen el tubo de descarga CDT, el varistor de óxido de zinc MOV y el supresor de voltaje transitorio TVD. El TVD tiene una respuesta ultra rápida (1 ns), buena limitación de voltaje y una corriente residual pequeña (inferior a 1 μA); se quema y se desconecta después de dañarse, sin provocar cortocircuitos. Pero su corriente de descarga es baja (1 kA). Además, CDT, GAP y TVD tienen una mayor capacidad de resistencia a impulsos de alta tensión que MOV, soportando impulsos de 10 kV sin daños estructurales.

Combinando las ventajas de estos elementos y utilizando un circuito combinado, se ha diseñado un producto (MOV en serie con CDT y TVD en paralelo), como se muestra en la Figura 1.

Figura 1: Principio de Descarga

Cuando la corriente de rayo invade en el Punto A, el MOV permanece inicialmente no conductor. Sin embargo, la corriente residual del MOV iguala el potencial entre los Puntos A y B. En este momento, el TVS se activa en 1 ns, creando una ruta directa entre los Puntos B y C. Como resultado, la tensión completa del rayo se aplica a través del MOV entre los Puntos A y B. Dado que la tensión de activación del MOV Um es solo el 50% de la tensión de activación del circuito combinado Uc, la alta tensión acelera la activación del MOV, reduciendo su tiempo de respuesta típico de 25 ns a aproximadamente 12.5 ns. Durante este período, mientras la corriente de descarga aún está aumentando, la ruta directa de A a B fuerza la mayoría de la tensión del rayo entre los Puntos B y C (donde la capacidad máxima de corriente del TVD es ~1 kA).

Desde una perspectiva de diseño, la tensión de activación del CDT es 50% menor que Uc. Además, la resistencia interna RL del MOV parcialmente conductor crea una caída de tensión que eleva la tensión en el Punto B por encima de la tensión inicial del rayo. Las pruebas muestran que esto reduce el tiempo de activación del CDT de 100 ns a 15 ns, permitiendo que todo el circuito conduzca completamente en 25 ns, coincidiendo con el tiempo de respuesta de un MOV independiente.

Después de la descarga, la corriente residual insignificante del TVD y la desconexión total del CDT eliminan los problemas de corriente residual del MOV, previniendo posibles peligros. Para el rendimiento de limitación de tensión, la activación precisa del TVD (donde la tensión de activación es igual a la tensión de limitación) asegura un umbral de limitación bajo. Dado Um = 0.5Uc, la tensión de limitación del MOV dentro del circuito es 1.5Uc, resultando en una tensión de limitación general del circuito combinado de 2Uc, significativamente mejor que la relación 3× de los módulos MOV independientes.

Se integra un circuito de monitoreo adicional para detectar fallos de componentes. Cuando los elementos internos se degradan, el nodo de monitoreo cambia de abierto a cerrado, señalizando el fallo del SPD. La Tabla 1 compara el rendimiento de los módulos MOV independientes versus el SPD del circuito de descarga combinado bajo condiciones idénticas.

Este nuevo tipo de SPD tiene corriente residual, pero puede controlar la sobretensión a un nivel muy bajo (inferior a 10 μA). Además, puede mantener los parámetros de corriente residual inalterados y desconectarse rápidamente después de que desaparezca la sobretensión. Es un producto ideal aplicable al circuito secundario del transformador de voltaje.

El SPD adopta un circuito de descarga combinado para reemplazar el módulo de varistor de óxido de zinc único, proporcionando medidas técnicas de protección contra sobretensiones para el circuito secundario del transformador de voltaje. Puede evitar el problema de aumento de la corriente residual envejecida después de que el circuito SPD sea impactado varias veces por rayos o sobretensiones operativas. Además, cuando ocurren rupturas y fallos, no habrá fenómenos de cortocircuito. Si el SPD tiene sitios de fallo como ruptura y cortocircuito, el personal de operación y mantenimiento puede ser alertado a través del punto de contacto de alarma del SPD, evitando la ocurrencia de problemas de mal funcionamiento o falta de operación de la protección.

3. Conclusión

En el proceso de uso real, el SPD que adopta el circuito combinado tiene el valor de corriente residual básicamente invariable desde el inicio hasta el fallo (después del daño, se desconecta directamente), y puede controlarse por debajo de 3 μA. Además, el SPD puede proporcionar convenientemente un punto de contacto de monitoreo de fallos a través del circuito combinado, lo que facilita el monitoreo para el personal de operación y mantenimiento.

Al adoptar la tecnología de supresión de sobretensiones para el circuito secundario del transformador de voltaje combinado, se evita el riesgo de mal funcionamiento o falta de operación de la protección causado por el peligro de toma a tierra del SPD en el circuito secundario del transformador de voltaje. Se logra realmente la protección contra rayos y sobretensiones operativas en el circuito secundario del transformador de voltaje, garantizando la operación segura del equipo secundario de energía en entornos climáticos severos y situaciones de accidente.