Problemas e Soluções de SPD para Circuitos Secundários de Transformador de Tensão

Este artigo analisa em profundidade a situação acima e resume as medidas técnicas para resolver os problemas.

1. Principais Problemas dos Produtos SPD nos Circuitos Secundários do Transformador de Tensão

Atualmente, existem SPDs (pararrelhas de descarga) sem corrente residual no mundo. Seus principais circuitos de descarga interna usam tubos/gaps de descarga, com alta capacidade de corrente de descarga (superior aos varistores de óxido de zinco). No entanto, eles têm falhas fatais: limitação de tensão ruim, tensão de arco e tempo de resposta longo (até 100 ns). Isso impede que o equipamento do circuito secundário receba a proteção adequada. Pior ainda, a tensão de arco frequentemente reduz a tensão do circuito secundário do transformador de tensão (100 V) a alguns volts, fazendo com que o sistema de medição e controle indique perda de tensão da linha de alta tensão. Portanto, as pararrelhas de descarga são inutilizáveis.

2. Soluções e Conteúdos Principais

Os elementos de descarga central comuns dos SPDs no mercado incluem o tubo de descarga CDT, o varistor de óxido de zinco MOV e o supressor de tensão transitória TVD. O TVD tem uma resposta ultra-rápida (1 ns), boa limitação de tensão e corrente residual baixa (abaixo de 1 μA); ele queima e se desconecta após danos, sem curto-circuito. Mas sua corrente de descarga é baixa (1 kA). Além disso, o CDT, GAP e TVD têm maior capacidade de resistência a impulsos de alta tensão do que o MOV, suportando impulsos de 10 kV sem danos estruturais.

Combinando as vantagens desses elementos e usando um circuito combinado, foi projetado um produto (MOV em série com CDT e TVD paralelos), conforme mostrado na Figura 1.

Figura 1: Princípio de Descarga

Quando a corrente de raio invade o Ponto A, o MOV permanece inicialmente não condutivo. No entanto, a corrente residual do MOV iguala o potencial entre os Pontos A e B. Nesse momento, o TVS ativa-se em 1 ns, criando um caminho direto entre os Pontos B e C. Consequentemente, a tensão total do raio é aplicada ao MOV entre os Pontos A e B. Como a tensão de ativação do MOV Um é apenas 50% da tensão de ativação do circuito combinado Uc, a alta tensão acelera a ativação do MOV, reduzindo seu tempo de resposta típico de 25 ns para aproximadamente 12,5 ns. Durante esse período, enquanto a corrente de descarga ainda está aumentando, o caminho direto de A para B força a maior parte da tensão do raio entre os Pontos B e C (onde a capacidade máxima de corrente do TVD é ~1 kA).

Do ponto de vista do design, a tensão de ativação do CDT é 50% menor que Uc. Além disso, a resistência interna RL do MOV parcialmente condutivo cria uma queda de tensão que eleva a tensão no Ponto B acima da tensão inicial do raio. Testes mostram que isso reduz o tempo de ativação do CDT de 100 ns para 15 ns, permitindo que todo o circuito conduza completamente em 25 ns—correspondendo ao tempo de resposta de um MOV isolado.

Após a descarga, a corrente residual insignificante do TVD e a desconexão completa do CDT eliminam os problemas de corrente residual do MOV, prevenindo possíveis perigos. Para o desempenho de clamping de tensão, a ativação precisa do TVD (onde a tensão de ativação é igual à tensão de clamping) garante um limiar de clamping baixo. Dado Um = 0.5Uc, a tensão de clamping do MOV dentro do circuito é 1.5Uc, resultando em uma tensão de clamping total do circuito combinado de 2Uc—significativamente melhor do que a relação 3× de módulos isolados de MOV.

Um circuito de monitoramento adicional é integrado para detectar falhas dos componentes. Quando os elementos internos se degradam, o nó de monitoramento transita de aberto para fechado, sinalizando a falha do SPD. A Tabela 1 compara o desempenho de módulos isolados de MOV versus o SPD do circuito de descarga combinado sob condições idênticas.

Este novo tipo de SPD tem corrente residual, mas pode controlar a sobretensão em um nível muito baixo (abaixo de 10 μA). Além disso, pode manter os parâmetros de corrente residual inalterados e se desconectar rapidamente após a desaparição da sobretensão. É um produto ideal aplicável ao circuito secundário dos transformadores de tensão.

O SPD adota um circuito de descarga combinado para substituir o módulo único de varistor de óxido de zinco, fornecendo medidas técnicas de proteção contra sobretensão para o circuito secundário do transformador de tensão. Ele pode evitar o problema de aumento da corrente residual envelhecida após o circuito SPD ser impactado por raios ou sobretensão operacional múltiplas vezes. Além disso, quando ocorre ruptura e falha, não haverá fenômeno de curto-circuito. Se o SPD tiver pontos de falha, como ruptura e curto-circuito, o pessoal de operação e manutenção pode ser alertado através do contato de alarme do SPD, evitando a ocorrência de problemas de mal funcionamento ou não funcionamento da proteção.

3. Conclusão

No processo de uso real, o SPD que adota o circuito combinado tem o valor de corrente residual praticamente inalterado desde o início até a falha (após o dano, ele se desconecta diretamente) e pode ser controlado abaixo de 3 μA. Além disso, o SPD pode fornecer convenientemente um ponto de contato de monitoramento de falha através do circuito combinado, facilitando o monitoramento pelo pessoal de operação e manutenção.

Ao adotar a tecnologia de supressão de sobretensão para o circuito secundário do transformador de tensão combinado, evita-se o risco de mal funcionamento ou não funcionamento da proteção causado pela aterramento oculto do SPD no circuito secundário do transformador de tensão. Realiza-se verdadeiramente a proteção contra raios e sobretensão operacional no circuito secundário do transformador de tensão, garantindo a operação segura do equipamento secundário de energia em ambientes climáticos severos e situações de acidente.