Pararrayos: Evolución Materiais e Protección contra Raios Explicados

Pararrayos e a súa evolución

Un pararrayos está sempre conectado en paralelo co equipo eléctrico que protexe. Non interfere na operación normal do equipo á tensión do sistema. No entanto, cando aparece unha sobretensión perigosa no equipo, o pararrayos conduce primeiro, desviando a sobretensión de forma segura ao terreo.

A forma máis antiga e simple de pararrayos consistía en dúas barras metálicas separadas por un espazo e conectadas en paralelo a través do equipo eléctrico. Cando a tensión a través deste espazo superaba certo limiar, o aire (o espazo) se rompía, protexendo o equipo. Este tipo de pararrayos coñécese como "espazo de expulsión" ou "espazo protector".

O fenómeno da tormenta eléctrica é semellante: as nubes de tronada e a terra actúan como dous condutores (electrodos). Cando a tensión entre eles se torna demasiado alta, o aire entre eles se rompe, resultando nun raio.

No entanto, hai unha diferenza crucial. Os espaceos protectores están conectados directamente a través das liñas de enerxía. Unha vez que unha sobretensión perigosa fai que o espazo se rompa (ou sexa, o aire entre as barras se ioniza), a central eléctrica ou subestación non está consciente deste evento, ou non pode reaccionar lo suficientemente rápido. En consecuencia, continua a fornecer corrente ao espazo agora conductor. Como o espazo ofrece un camiño ao terreo, esta corrente fluye continuamente, causando un cortocircuito no sistema de enerxía. Así, mentres que os espaceos protectores son simples de usar, a súa operación crea un arco sostenido a través do espazo, levando a unha condición de cortocircuito.

Como podería extinguirse rapidamente o arco a través do espazo protector despois da operación? Isto levou ao desenvolvemento do segundo xeración de pararrayos, o pararrayos de expulsión (ou de tubo). Este deseño primeiro confina o arco dentro dun tubo e despois emprega métodos para extinguilo.

Non obstante, os pararrayos de expulsión aínda teñen un inconveniente: independentemente da súa capacidade para apagar o arco, aínda desvían a corrente do sistema de enerxía directamente ao terreo, causando un fallo momentáneo de terreo (cortocircuito).

Unha solución ideal sería un dispositivo que bloquease a corrente ou permitise só unha fuga mínima baixo tensión normal, así evitando cortocircuitos, pero que conducise rapidamente grandes correntes de surto (como os raios) ao terreo cando ocorren sobretensiones perigosas. En termos simples, tal dispositivo actuaría como un "interruptor inteligente", sabendo precisamente cando abrir e pechar. Nos pararrayos, este "interruptor inteligente" foi inicialmente realizado usando un material chamado carburo de silicio (SiC). Os pararrayos feitos deste material coñécense como pararrayos de válvula, xa que funcionan como válvulas eléctricas.

É importante notar que esta "válvula" é un compoñente eléctrico, non unha válvula mecánica como un grifo ou válvula de tubería. As válvulas mecánicas son demasiado lentas para responder aos raios, que golpean en microsegundos. En cambio, é necesaria unha "válvula" eléctrica feita dun resistor non lineal. O carburo de silicio foi o primeiro material de resistor non lineal descuberto para uso en aplicacións de alta tensión.

A tecnoloxía evoluciona continuamente. Descubriuse posteriormente un segundo material de resistor non lineal para pararrayos: óxido de cinc (ZnO). Realiza unha función semellante ao carburo de silicio, pero exhibe características de "válvula" superiores, descritas profesionalmente como mellor non linearidade.

Que é a non linearidade? Figurativamente, significa facer o contrario: ser pequeno cando debe ser grande, e grande cando debe ser pequeno, a diferencia dos componentes lineares, que escalan proporcionalmente.

Nos pararrayos, a non linearidade manifiéstase así: cando a corrente é alta (por exemplo, durante un surto de raio), a resistencia se torna moi baixa, e cuánto máis baixa a resistencia, mellor a non linearidade. Cando a corrente é baixa (despois de que o surto de raio pasou e o sistema volve á tensión de operación normal), a resistencia se torna moi alta, e cuánto máis alta a resistencia, mellor a non linearidade.

O carburo de silicio exhibe non linearidade, pero non é ideal. Baixo tensión de operación normal, a súa resistencia non é suficientemente alta, permitindo que unha corrente de fuga pequena pase a través do pararrayos, como unha válvula que non se pecha estanquemente, resultando nunha "goteira" continua de corrente.

Este comportamento é inerente ao material, e os esforzos para eliminar esta fuga mediante melloras materiais foron en gran parte infructuosos. En consecuencia, cando se usa carburo de silicio en pararrayos, empreganse soluciones estruturais: o pararrayos está inicialmente aislado da liña e só se conecta durante un surto. Esta tarefa realiza-se utilizando un espazo de aire en serie. Polo tanto, os pararrayos de válvula case sempre requiren un espazo. En contraste, as válvulas de óxido de cinc "pechan estanquemente" baixo tensión de operación normal, polo que non requiren un espazo en serie.

Á medida que a tecnoloxía de fabricación de óxido de cinc mellora, superáronse as limitacións iniciais na capacidade de "pechar". No entanto, debido á prevalencia histórica dos deseños con espazos, algúns pararrayos de óxido de cinc aínda incorporan espazos. Non obstante, os pararrayos de óxido de cinc sen espazo constitúen a inmensa maioría.

Xa que o óxido de cinc é un óxido metálico, estes pararrayos tamén coñécense como Pararrayos de Óxido Metálico (MOSA).

Protección contra raios nos sistemas de enerxía

Dende o punto de vista dos dispositivos de protección contra raios, existen tres tipos principais: pára-raios (terminais aéreos), liñas aéreas de tierra (liñas de escudo) e pararrayos. Os dous primeiros son estructuralmente simples, basicamente só barras e liñas, mentres que o último é máis complexo debido á súa dependencia de resistores non lineais que actúan como "interruptores inteligentes".

Dende o punto de vista dos obxectos protexidos, a protección contra raios pode categorizarse en: protección de liñas aéreas, protección de subestacións e protección de motores.

As liñas aéreas abranguen grandes distancias, expostas en áreas abertas. Para minimizar o impacto na vida terrestre e nos ecosistemas, están erixidas a alturas significativas. Como se di, "a árbore máis alta atrai máis vento", facendo delas obxectivos primarios para raios. As estatísticas amosan que a maioría das fallos na rede de enerxía son causados por raios que golpean as liñas. Polo tanto, as liñas aéreas deben protexerse. No entanto, debido á súa lonxitude, a protección absoluta é impracticable e prohibitivamente cara. Así, a protección de liñas é relativa: permítense algunhas descargas de raios que golpean a liña e causan flashovers. Esta protección lograse principalmente utilizando liñas aéreas de tierra.

En contraste, as subestacións son moito máis críticas. Actúan como hubs do sistema de enerxía, albergando equipos concentrados e persoal. En consecuencia, os seus requisitos de protección contra raios son extremadamente altos.

Os raios poden chegar a unha subestación por dous camiños principais: golpes directos, mitigados por pára-raios (ou ás veces liñas de escudo); e surtos propagándose desde raios que golpean as liñas de transmisión, que se manejan principalmente con pararrayos.

A protección contra raios para motores (incluíndo xeradores, condensadores síncronos, cambiadores de frecuencia e motores eléctricos) é tan crítica como a protección de subestacións. Os xeradores son o "corazón" do sistema de enerxía, e os grandes motores son impulsores industriais vitais. Os danos causados polos raios nestes componentes resultan en perdas significativas. No entanto, a protección de motores é máis desafiante que a protección de subestacións. Os motores son máquinas rotativas, polo que a súa aislación non pode ser excesivamente gruesa e debe ser sólida (a diferenza da aislación líquida usada en transformadores). A aislación sólida é propensa ao envellecemento, requirindo non só protección primaria con pararrayos, senón tamén medidas de protección auxiliar adicionais.

Pararrayos de óxido de cinc con carcasa composta

Un pararrayos é un dispositivo eléctrico con dous electrodos, un típicamente aterrado e o outro conectado a alta tensión, separados por un material aislante, coñecido profesionalmente como aislante.

Xa que a maioría do equipo de sistemas de enerxía está exposto á atmosfera, as superficies aislantes están en contacto directo co ambiente. Esta parte da aislación denomínase aislación externa ou aislación exterior.

A aislación exterior está constantemente exposta ao sol, á chuvia, ao vento, á neve, á néboa e ao rocío. Polo tanto, os materiais de aislación exterior calificados deben non só posuír excelentes propiedades eléctricas e mecánicas, senón tamén demostrar unha excelente resistencia climática e unha vida útil de 40-50 anos. Actualmente, a porcelana é o material de aislación exterior máis ampliamente utilizado en enxeñaría, con vidro temperado tamén usado en aplicacións de liña.

A porcelana e o vidro son materiais inorgánicos. Ademais das súas excelentes prestacións eléctricas e mecánicas, a súa principal vantaxe é a estabilidade ambiental, unha resistencia excepcional ás condicións climáticas, permitindo dominar a aislación externa do sistema de enerxía durante case un século.

No entanto, comparten unha debilidade común: as súas superficies son hidrófilas. Isto permite que as capas de contaminación na superficie do aislante absorban humidade. Cando a contaminación se combina coa humidade, permite o flujo de corrente, potencialmente causando un flashover na superficie do aislante baixo tensión de operación normal. Isto coñécese comunmente como flashover de contaminación, máis específicamente, descarga de superficie a lo largo dun aislante contaminado e humedecido.

Nas últimas décadas, o caucho de silicone foi ampliamente adoptado a nivel mundial para substituír os materiais tradicionais para aislantes. O caucho de silicone é un material orgánico que exhibe unha forte hidrofobicidade, aumentando significativamente a tensión de flashover de aislación externa.

Os aislantes feitos de materiais orgánicos adoitan chamarse aislantes poliméricos ( xa que os materiais orgánicos son polímeros), aislantes non cerámicos, aislantes compósitos ( xa que a aislación externa é sintética) ou incluso aislantes de plástico no extranxeiro.

En China, anteriormente coñecíanse como aislantes compósitos ou aislantes de caucho de silicone. Agora denominanse uniformemente aislantes compósitos orgánicos (xa que os materiais orgánicos son compósitos, e estes aislantes suelen estar feitos dun compósito de caucho de silicone e unha barra de fibra de vidrio con resina epoxi), comúnmente abreviados como aislantes compósitos.

Por tanto, un pararrayos de óxido de cinc con carcasa composta usa un material orgánico, especificamente caucho de silicone, como aislación externa para un pararrayos de óxido de cinc.