Pararrels d'ona: Evolució Materials i Protecció contra els Raigs Expliquem

Pararrels i la seva evolució

Un pararrel sempre es connecta en paral·lel amb l'equipament elèctric que protegeix. No interfiereix en el funcionament normal de l'equipament a la tensió del sistema. Tanmateix, quan apareix una sobretensió perillosa en l'equipament, el pararrel condueix primer, desviant la sobretensió segurament cap a terra.

La forma més antiga i simple de pararrel consistia en dos rods metàl·lics separats per un espai i connectats en paral·lel a través de l'equipament elèctric. Quan la tensió a través d'aquest espai superava un cert llindar, l'aire (l'espai) s'esgarrifava, protegint l'equipament. Aquest tipus de pararrel es coneix com a "pararrel d'expulsió" o "pararrel protector".

El fenomen de l'oratge és similar: les núvols de tempesta i la terra actuen com a dos conductors (electrodes). Quan la tensió entre ells esdevé massa alta, l'aire entre ells s'esgarrifa, resultant en un raig.

No obstant això, hi ha una diferència crucial. Els pararel·ls protectors estan connectats directament a través de les línies elèctriques. Un cop una sobretensió perillosa provoca que l'espai s'esgarrifi (és a dir, l'aire entre els rods s'ionitza), la central elèctrica o subestació no són conscients d'aquest esdeveniment - o no poden reaccionar prou ràpidament. Per tant, continua fornint corrent al pararrel que ara condueix. Com que el pararrel proporciona un camí cap a terra, aquest corrent flueix continuament, causant un curt circuit en el sistema elèctric. Així, mentre que els pararel·ls protectors són fàcils d'utilitzar, la seva operació crea un arc sostenut a través de l'espai, provocant una condició de curt circuit.

Com podria esmorzar-se ràpidament l'arc a través del pararrel protector després de la seva operació? Això va portar al desenvolupament del pararrel de segona generació - el pararrel d'expulsió (o de tub). Aquest disseny primer confina l'arc dins d'un tub i després utilitza mètodes per esmorzar-lo.

No obstant això, els pararel·ls d'expulsió encara tenen un inconvenient: independentment de la seva capacitat per esmorzar arcs, encara desvien el corrent del sistema elèctric directament a terra, causant un defecte momentani a terra (curt circuit).

Una solució ideal seria un dispositiu que bloquegi el corrent o permeti només un mínim filtreig sota tensió normal, evitant així curts circuits, però que condueixi ràpidament grans corrents de sobretensió (com l'oratge) a terra quan apareguin sobretensions perilloses. En termes simples, aquest dispositiu funcionaria com un "interruptor intel·ligent", sabent exactament quan obrir i tancar. En els pararel·ls, aquest "interruptor intel·ligent" s'ha realitzat inicialment mitjançant un material anomenat carbide de silici (SiC). Els pararel·ls fabricats amb aquest material es coneixen com a pararel·ls de válvula, ja que funcionen com a vànecles elèctriques.

Cal destacar que aquesta "vànecula" és un component elèctric, no una vànecula mecànica com una de griferia o de tub. Les vànecules mecàniques són massa lentes per respondre a l'oratge, que impacta en microsegons. En canvi, cal una "vànecula" elèctrica feta d'un resistor no lineal. El carbide de silici va ser el primer material de resistor no lineal descobert per a aplicacions de alta tensió.

La tecnologia evoluciona de manera contínua. Més tard es va descobrir un segon material de resistor no lineal per als pararel·ls: l'òxid de zinc (ZnO). Aquest material realitza una funció similar al carbide de silici, però presenta característiques de "vànecula" superiors - professionalment descrites com una millor no-linealitat.

Què és la no-linealitat? Figuratament, significa fer el contrari: ser petit quan hauria de ser gran, i gran quan hauria de ser petit - diferent dels components lineals, que escalen proporcionalment.

En els pararel·ls, la no-linealitat es manifesta així: quan el corrent és alt (per exemple, durant un raig d'oratge), la resistència es converteix en molt baixa, i més baixa és la resistència, millor és la no-linealitat. Quan el corrent és baix (després que el raig d'oratge ha passat i el sistema torna a la tensió de funcionament normal), la resistència es converteix en molt alta, i més alta és la resistència, millor és la no-linealitat.

El carbide de silici presenta no-linealitat, però no és ideal. Sota la tensió de funcionament normal, la seva resistència no és suficientment alta, permetent que circuli un petit corrent de filtratge a través del pararrel - com una vànecula que no tanca ben bé, resultant en un "goteig" continu de corrent.

Aquest comportament és inherent al material, i els intents d'eliminar aquest filtratge mitjançant millores materials han tingut poc èxit. Per tant, quan s'utilitza el carbide de silici en pararel·ls, es fan servir solucions estructurals: el pararrel s'isol·la inicialment de la línia i només es connecta durant un raig. Aquesta tasca s'assoleix utilitzant un espai d'aire en sèrie. Per tant, els pararel·ls de válvula requereixen gairebé sempre un espai. En canvi, les vànecules d'òxid de zinc "tanquen ben bé" sota la tensió de funcionament normal, per tant no requereixen un espai en sèrie.

Amb l'aprimament de la tecnologia de fabricació d'òxid de zinc, s'han superat les limitacions inicials en la capacitat de "tancament". No obstant això, degut a la prevalença històrica dels dissenys amb espais, alguns pararel·ls d'òxid de zinc encara incorporen espais. No obstant això, els pararel·ls d'òxid de zinc sense espai constitueixen la majoria.

Com que l'òxid de zinc és un òxid metàl·lic, aquests pararel·ls també s'anomenen Pararel·ls de Sobretensió d'Òxid Metàl·lic (MOSA).

Protecció contra l'oratge en sistemes elèctrics

Des del punt de vista dels dispositius de protecció contra l'oratge, n'hi ha tres tipus principals: parafulgers (terminals aeri), fils de terra elevats (fils escuders) i pararel·ls. Els dos primers són estructuralment simples - essencialment només rods i fils - mentre que l'últim és més complex degut a la seva dependència de resistors no lineals que actuen com a "interruptors intel·ligents".

Des del punt de vista dels objectes protegits, la protecció contra l'oratge es pot categoritzar en: protecció de línies aèries, protecció de subestacions i protecció de motors.

Les línies aèries cobreixen grans distàncies, exposades en àrees obertes. Per minimitzar l'impacte en la vida terrestre i els ecosistemes, es construeixen a grans alçades. Com diu el ditat, "l'arbre més alt rep més vent", fent-les objectius principals de l'oratge. Les estadístiques mostren que la majoria de faltes en la xarxa elèctrica són causades per impacts d'oratge en les línies. Per tant, les línies aèries han de estar protegides. No obstant això, degut a la seva longitud, la protecció absoluta és impracticable i prohibitivament cara. Així, la protecció de les línies és relativa: es permeten alguns impacts d'oratge a la línia i causar flashovers. Aquesta protecció es consigueix principalment utilitzant fils de terra elevats.

En canvi, les subestacions són molt més crítiques. Serveixen com a centres del sistema elèctric, allotjant equipament concentrat i personal. Per tant, les seves exigències de protecció contra l'oratge són extremadament altes.

L'oratge pot arribar a una subestació per dos camins principals: impacts directes, atenuats per parafulgers (o de vegades fils escuders); i impulsos que es propaguen des d'impacts d'oratge en les línies de transmissió, que són gestionats principalment per pararel·ls.

La protecció contra l'oratge dels motors (incloent generadors, condensadors síncrons, canviadors de freqüència i motors elèctrics) és tan crítica com la protecció de les subestacions. Els generadors són el "cor" del sistema elèctric, i els grans motors són impulsores industrials vitals. El dañament de l'oratge a aquests components resulta en pèrdues significatives. No obstant això, la protecció dels motors és més complexa que la de les subestacions. Els motors són màquines rotatives, per tant la seva aïllament no pot ser excessivament grossa i ha de ser sòlida (no com l'aïllament líquid utilitzat en transformadors). L'aïllament sòlid és propens a l'envelleciment, necessitant no només protecció primària amb pararel·ls, sinó també mesures auxiliars addicionals de protecció.

Pararel·ls d'òxid de zinc amb carcassa compost

Un pararrel és un dispositiu elèctric amb dos electrodos - un típicament a terra i l'altre connectat a alta tensió - separats per un material aïllant, conegut professionalment com a aïllant.

Com que la major part de l'equipament del sistema elèctric està exposat a l'atmosfera, les superfícies aïllants estan en contacte directe amb l'ambient. Aquesta porció d'aïllament es denomina aïllament extern o aïllament exterior.

L'aïllament exterior està constantment expòsit a la llum solar, pluja, vent, neu, boirina i rossol. Per tant, els materials d'aïllament exterior qualificats no només han de tenir excel·lents propietats elèctriques i mecàniques, sinó també demostrar una resistència superior a les condicions meteorològiques i una vida útil de 40-50 anys. Actualment, la porcellana és el material d'aïllament exterior més ampliament utilitzat en enginyeria, amb vidre trempat també utilitzat en aplicacions de línia.

La porcellana i el vidre són materials inorgànics. A més de les seves excel·lents prestacions elèctriques i mecàniques, la seva gran avantatge és la seva estabilitat ambiental - excepcional resistència a les condicions climàtiques - permetent-los dominar l'aïllament exterior del sistema elèctric durant quasi un segle.

No obstant això, comparteixen una debilitat comuna: les seves superfícies són hidrofílies. Això permet que les capes de contaminació a la superfície de l'aïllador absorbin humitat. Quan la contaminació es combina amb la humitat, permet el flux de corrent, potencialment causant un flashover a través de la superfície de l'aïllador sota la tensió de funcionament normal. Això es coneix com a flashover de contaminació, més específicament, descàrrega superficial a través d'un aïllador contaminat i humidi.

En les darreres dècades, el caucho de silicona s'ha adoptat ampliament a tot el món per substituir els materials tradicionals per a aïlladors. El caucho de silicona és un material orgànic que exhibeix una forta hidrofobia, augmentant significativament la tensió de flashover de la contaminació de l'aïllament exterior.

Els aïlladors fets de materials orgànics sovint es denominen aïlladors polimèrics (ja que els materials orgànics són polímers), aïlladors no ceràmics, aïlladors compostos (ja que l'aïllament exterior és sintètic) o fins i tot aïlladors de plàstic a l'estrange.

A Xina, anteriorment es coneixien com a aïlladors compostos o aïlladors de caucho de silicona. Ara es denominen uniformement aïlladors orgànics compostos (ja que els materials orgànics són compostos, i aquests aïlladors solen estar fets d'un compost de caucho de silicona i un barra de fibra de vidre resina epoxi), abreviat com aïlladors compostos.

Per tant, un pararrel d'òxid de zinc amb carcassa compost utilitza un material orgànic - específicament caucho de silicona - com a aïllament exterior per a un pararrel d'òxid de zinc.