ES2712491T3 - Pararrayos y una línea de transmisión de potencia proporcionada con dicho pararrayos - Google Patents

Abstract

Un pararrayos para protección contra relámpagos de elementos de instalaciones eléctricas o de una línea de energía eléctrica, en que el pararrayos comprende un cuerpo aislante (1) hecho de un dieléctrico sólido, dos electrodos principales (2, 3) acoplados mecánicamente al cuerpo aislante (1) y dos o más electrodos intermedios (4) dispuestos entre los electrodos principales (2, 3) y desplazados mutuamente al menos a lo largo del eje longitudinal del cuerpo aislante (1), en que los electrodos intermedios (4) están configurados para permitir que se produzca una descarga entre cada uno de los electrodos principales (2, 3) y el electrodo intermedio (4) adyacente a cada uno de dichos electrodos principales (2, 3) y entre los electrodos intermedios (4) adyacentes, en que una pluralidad de cámaras de descarga (5) están formadas entre los electrodos intermedios (4) adyacentes, y en que los electrodos intermedios (4) están ubicados dentro del cuerpo aislante (1) y están separados de la superficie del mismo por una capa de aislamiento, caracterizados porque la capa aislante tiene un grosor de un valor entre 1 mm y 36 mm, y las cámaras de descarga (5) están abiertas en la superficie del cuerpo aislante (1), y en que un área de sección transversal S de las cámaras de descarga (5) en una zona de la formación del canal de descarga (6) está entre el valor multiplicado por 0.1 mm y el valor multiplicado por 20 mm.

Description

DESCRIPCION

Pararrayos y una linea de transmision de potencia proporcionada con dicho pararrayos

CAMPO DE LA INVENCION

La presente invencion se refiere a pararrayos para proteger equipos electricos y lmeas de energfa electrica de alto voltaje (HEPL) contra sobretensiones debidas a relampagos. Dichos pararrayos pueden emplearse, por ejemplo, para proteger instalaciones de alto voltaje, aislantes y otros elementos de He p L, asf como varias instalaciones electricas.

TECNICA ANTERIOR US 3,973,172 A describe un pararrayos 10 para la proteccion contra relampagos de elementos de instalaciones electricas de una lrnea de energfa electrica, en que el pararrayos comprende un cuerpo aislante 11 fabricado con un dielectrico solido, dos electrodos principales 40d, 40e acoplados mecanicamente al cuerpo aislante 11 y dos o mas electrodos intermedios 42a, 41a, 42b, 41b, 42c, 41c dispuestos entre los electrodos principales y desplazados mutuamente al menos a lo largo del eje longitudinal del cuerpo aislante 11, en que los electrodos intermedios 42a, 41a, 42b, 41b, 42c, 41c estan configurados para permitir que se produzca una descarga entre cada uno de los electrodos principales 40d, 40e y los electrodos intermedios adyacentes a cada uno de dichos electrodos principales y entre los electrodos intermedios adyacentes 42a, 41a, 42b, 41b, 42c, 41c, en que una pluralidad de camaras de descarga estan formadas entre los electrodos intermedios adyacentes 42a, 41a, 42b, 41b, 42c, 41c, y en que los electrodos intermedios 42a, 41a, 42b, 41b, 42c, 41c estan localizados dentro del cuerpo aislante 11 y separados de una superficie del mismos por una capa aislante.

Un inconveniente del pararrayos de US 3,973,172 A es que las chispas provocadas por el impacto de un relampago en las camaras de descarga entre los electrodos intermedios adyacentes generan una presion de gas que puede provocar danos en el pararrayos. Ademas, las chispas tambien generan una alta temperatura, que puede provocar una aleacion de los electrodos intermedios.

EP 1 835 578 A1 muestra un pararrayos que esta provisto de absorbedores de energfa que absorben energfa cuando se produce el impacto de un relampago, y un par de electrodos conductores 1 y 2. Entre el par de electrodos conductores 1 y 2, se encuentran formados espacios de aire 9 en serie, en particular entre el electrodo conductor 1 y el absorbedor de energfa 3, y entre el electrodo conductor 2 y el absorbedor 3. Los espacios de aire 9 incluyen espacios planos. El pararrayos tambien comprende una carcasa que contiene el pararrayos y que sella el pararrayos contra el exterior de la carcasa.

Es conocido el llamado pararrayos tubular para limitar las sobretensiones en una lrnea electrica (cf. High voltage techniques (Tecnicas de alta tension). Ed. D. V. Razevig, Moscu, "Energiya" Publishing House, 1976, p. 287). Un elemento principal del pararrayos esta formado por un tubo hecho de un material generador de gas aislante. Un extremo del tubo esta taponado con una tapa de metal que tiene un electrodo interno de barra fijado en el. Un electrodo en forma de anillo esta ubicado en un extremo abierto del tubo. Un espacio entre el electrodo de barra y el electrodo en forma de anillo se denomina espacio interno o de enfriamiento por arco. Uno de los electrodos esta conectado a tierra, mientras que el segundo electrodo esta conectado, a traves de un espacio de arco de tension externo, a un conductor de la lrnea electrica.

Una sobretension debida al relampago da como resultado una disrupcion de ambos espacios, de modo que una corriente de impulso se desvfa al suelo. Despues de que el impulso de sobretension a traves del pararrayos haya terminado, una corriente de seguimiento continua fluyendo, de modo que un canal de chispa se transforma en uno de arco. Debido a la alta temperatura en un canal de la corriente de arco alternativa dentro del tubo, se produce una emision de gas intensiva que proporciona un fuerte aumento de presion. Los gases, al fluir hacia enfriamiento por arco. Uno de los electrodos esta conectado a tierra, mientras que el segundo electrodo esta conectado, a traves de un espacio de arco de tension externo, a un conductor de la lrnea electrica.

Una sobretension debida al relampago da como resultado una disrupcion de ambos espacios, de modo que una corriente de impulso se desvfa al suelo. Despues de que el impulso de sobretension a traves del pararrayos haya terminado, una corriente de seguimiento continua fluyendo, de modo que un canal de chispa se transforma en uno de arco. Debido a la alta temperatura en un canal de la corriente de arco alternativa dentro del tubo, se produce una emision de gas intensiva que proporciona un fuerte aumento de presion. Los gases, al fluir hacia el extremo abierto del tubo, crean un soplo longitudinal, de modo que el arco se apaga al pasar por su valor cero por primera vez. Despues de una pluralidad de accionamientos del pararrayos, la camara de descarga del tubo se desgasta. El pararrayos deja de funcionar correctamente y necesita una sustitucion, lo que significa un aumento en los costes de mantenimiento.

Tambien se conoce un pararrayos para limitar las sobretensiones en una lmea de energfa electrica, en que el pararrayos se basa en la utilizacion de un espacio de arco de tension formado entre dos barras de metal (cf. High voltage techniques (Tecnicas de alta tension). Ed. D. V. Razevig, Moscu, "Energiya" Publishing House, 1976, p.

285). Una de las barras en el pararrayos de la tecnica anterior esta conectada a un conductor de alto voltaje de una lmea de energfa electrica, mientras que la segunda barra esta conectada a una estructura conectada a tierra, por ejemplo, a un soporte (como una torre o un poste) de la lmea electrica. En el caso de una sobretension, se rompe un espacio de arco de tension, de modo que una corriente de sobretension de relampago se desvfa al suelo, y la tension aplicada al dispositivo cae rapidamente. De esta manera, se consigue tanto la derivacion de la corriente del relampago como la limitacion de la sobretension. Sin embargo, la capacidad de extincion del arco de un solo espacio es pequena, de modo que despues de la terminacion de la sobretension, una corriente de seguimiento del arco de potencia continua fluyendo a traves del espacio del arco de tension. Por lo tanto, debe activarse un dispositivo de apagado para interrumpir un circuito, ya que dicha interrupcion es bastante indeseable para los consumidores que reciben energfa electrica de esta lmea electrica.

Tambien se conoce un pararrayos que difiere del descrito anteriormente en que un tercer electrodo de barra intermedio se coloca entre un primer electrodo de barra principal y un segundo electrodo de barra principal. Por lo tanto, en lugar de un unico espacio de aire de arco de tension, se forman dos espacios de este tipo. Esta caractenstica permitio mejorar algo la capacidad de extincion del arco del pararrayos y asegurar, con la ayuda del pararrayos, el enfriamiento de las corrientes de seguimiento moderadas (del orden de decenas de amperios) en casos de cortocircuitos de una sola fase a tierra. Sin embargo, este pararrayos no puede apagar las corrientes que superan los 100 A, las cuales son tfpicas de los cortocircuitos de dos o tres fases a tierra en casos de sobretension por relampagos.

Como la tecnica anterior mas cercana para la invencion, se puede indicar un pararrayos destinado a la proteccion contra relampagos de elementos de instalaciones electricas o una lmea de energfa electrica y que se suministra con el denominado sistema de multiples electrodos (MES) descrito en RU 2299508, H02H 3/22, 2 O07. El pararrayos de la tecnica anterior comprende un cuerpo aislante hecho de un dielectrico solido, dos electrodos principales acoplados mecanicamente al cuerpo aislante y tambien dos o mas electrodos intermedios. Los electrodos intermedios, que estan dispuestos entre los electrodos principales, se desplazan mutuamente, al menos, a lo largo del eje longitudinal del cuerpo aislante. Estan configurados para permitir que se produzca una descarga de corriente entre cada uno de los electrodos principales y el electrodo intermedio adyacente a dichos electrodos principales, asf como entre los electrodos intermedios adyacentes.

Debido a que se produce una disrupcion de la distancia entre los electrodos principales en una pluralidad de espacios de arco de tension, este pararrayos posee una capacidad de extincion de arco mayor que los dispositivos con un solo espacio de descarga o con solo algunos de dichos espacios (vease, por ejemplo, A. C. Taev. Electric arc in low voltage apparatuses (Arco electrico en aparatos de bajo voltaje), Moscu, "Energiya" Publishing House ", 1965, pag. 85).

Sin embargo, la capacidad de extincion de arco del pararrayos de la tecnica anterior no es lo suficientemente alta, por lo que su aplicacion se limita a la proteccion contra relampagos de las HEPL de clase de voltaje 6-10 kV. Dicho pararrayos es diffcil de utilizar en la proteccion contra relampagos de las HEPL de clases de voltaje mas altas debido a la razon de que el numero de electrodos intermedios y el tamano del pararrayos son demasiado grandes.

DESCRIPCION DE LA INVENCION

Por lo tanto, un objeto de la presente invencion es proporcionar un pararrayos con una alta fiabilidad, bajos costes de fabricacion y mantenimiento, bajos voltajes de salto de corriente y una alta eficacia de enfriamiento de la corriente. Dichas caractensticas permitiran emplear el pararrayos de la invencion para la proteccion contra relampagos de las HEPL de las clases de voltaje mas altas (20 a 35 kV y mas), y tambien para mejorar las caractensticas tecnicas y economicas de los pararrayos de la clase de voltaje 3 -10 kV.

En otras palabras, la invencion esta dirigida a mejorar la fiabilidad y simplificar el diseno de los pararrayos.

El objeto especificado anteriormente se logra esencialmente por medio de un pararrayos de acuerdo con la reivindicacion 1.

Dependiendo de una forma de realizacion particular del pararrayos y de una tecnologfa seleccionada para fabricar los pararrayos, las camaras de descarga pueden configurarse como cavidades o a traves de orificios formados en el cuerpo aislante. Dichos espacios u orificios pueden tener secciones transversales (es decir, secciones en un plano normal al eje de la camara de descarga) de varias formas apropiadas, es decir, circulares, rectangulares, con forma de hendidura, etc. que permiten a las camaras de descarga realizar sus funciones (que se describiran a continuacion). En algunas formas de realizacion, la seccion transversal de la camara de descarga puede tener un tamano que vana a lo largo de la profundidad de la camara (es decir, un tamano que aumenta en una direccion de la superficie del cuerpo aislante).

Una condicion importante para asegurar la consecucion del objeto especificado anteriormente de la invencion consiste en una seleccion optima de los tamanos de las camaras de descarga. Mas espedficamente, la longitud de la camara de descarga que determina una distancia minima g entre los electrodos adyacentes se seleccionara preferiblemente dependiendo de una aplicacion particular del pararrayos, porque es la aplicacion la que determina dichos parametros del pararrayos como un tipo de estructuras a proteger, una clase de voltaje, etc. Por ejemplo, en los pararrayos destinados a la proteccion de las HEPL de las clases de voltaje medio (6 a 35 kV) de un relampago, se puede seleccionar un valor de g en un intervalo de 1 mm a 5 mm, mientras que en el caso del pararrayos de la invencion se utilizara para proteger las HEPL de clases de alta y muy alta tension, el valor de g se incrementara y, preferiblemente, se seleccionara en un intervalo de 5 mm a 20 mm.

En algunas formas de realizacion del pararrayos, pueden proporcionarse adicionalmente con las camaras de descarga formadas entre cada uno de los electrodos principales y los electrodos intermedios adyacentes a los mismos.

En cuanto a la configuracion del cuerpo aislante, es preferible (en particular para garantizar la facilidad de fabricacion) conformarlo como una barra, una tira o un cilindro. Los parametros de coste del pararrayos pueden mejorarse adicionalmente utilizando una forma de realizacion del mismo que requiere menos material debido a que proporciona al cuerpo aislante protuberancias en zonas en las que las camaras de descarga se abren a la superficie del cuerpo aislante. Dicha solucion hace que sea posible proporcionar un grosor requerido de la capa de aislamiento solamente en zonas que rodean las camaras de descarga, mientras que, en secciones entre dichas zonas, el grosor de dicha capa puede reducirse sustancialmente.

Con el objetivo de garantizar la facilidad de fabricacion del pararrayos, los electrodos intermedios preferiblemente tienen forma de placas o cilindros, por ejemplo, hechos de un metal, grafito o fibra de carbono.

Con el fin de satisfacer un requisito importante de un bajo voltaje de salto de corriente del pararrayos de acuerdo con la invencion, se propone proporcionarle un electrodo adicional conectado con uno de los electrodos principales, y colocar este electrodo adicional en una superficie del cuerpo aislante que se encuentra frente a la superficie a la que se abren las camaras de descarga, o dentro del cuerpo aislante. En este ultimo caso, puede resultar ventajoso, desde el punto de vista de las consideraciones de diseno, proporcionar al cuerpo aislante un componente hueco, y colocar el electrodo adicional dentro de dicho componente hueco. Configurados de esta manera, tanto el componente hueco del cuerpo aislante como el electrodo adicional tendran preferiblemente una seccion transversal circular. Esto permitira producir el pararrayos de acuerdo con la invencion utilizando una pieza de cable electrico, con un nucleo y un aislamiento solido del cable que forman respectivamente el electrodo adicional y el componente hueco del cuerpo aislante, en que este electrodo y el componente hueco tienen la misma longitud. En un caso general, una longitud del electrodo adicional corresponde a al menos la mitad de la distancia entre los electrodos principales. La resistencia electrica del aislamiento entre el electrodo adicional y el electrodo principal que no esta conectado con el se selecciona para que sea mas grande que el voltaje de un salto de corriente precalculado entre los electrodos principales.

Los electrodos intermedios pueden incrustarse dentro de una tira de un material aislante que forma parte del cuerpo aislante. Esta solucion simplifica la disposicion de los electrodos intermedios a lo largo de una trayectoria optima. Por ejemplo, la tira flexible que comprende los electrodos puede fijarse a una superficie del componente hueco del cuerpo aislante de tal manera que los electrodos intermedios esten dispuestos en paralelo al eje longitudinal del cuerpo aislante. Alternativamente, la tira flexible con los electrodos intermedios puede enrollarse helicoidalmente alrededor de una superficie de un componente hueco cilmdrico, de modo que los electrodos intermedios se desplazan mutuamente a lo largo de una lmea que tiene forma de espiral. La ultima forma de realizacion hace posible aumentar un numero total de los electrodos intermedios del pararrayos sin aumentar su longitud total y, por lo tanto, mejorar adicionalmente la capacidad de extincion de arco del pararrayos.

En una forma de realizacion alternativa, el pararrayos de acuerdo con la invencion puede emplearse en combinacion con un pararrayos de salto de corriente largo de la tecnica anterior de un tipo de bucle (LFAL). En esta forma de realizacion, el componente hueco del cuerpo aislante puede tener un perfil en forma de U, en el que el primer electrodo principal puede estar configurado como un tubo metalico que contiene una parte curvada del componente hueco. El segundo electrodo principal se puede acoplar mecanicamente con uno o con ambos extremos del componente hueco del cuerpo aislante y puede estar conectado electricamente con el electrodo adicional. En esta forma de realizacion, una barra de metal de la LFAL funciona como el electrodo adicional. Por lo tanto, el electrodo adicional tiene una longitud igual a la longitud del cuerpo aislante. Los electrodos intermedios pueden estar dispuestos en uno o ambos brazos del cuerpo aislante.

Un objeto mas de la presente invencion consiste en proporcionar una lmea de energfa electrica con una proteccion fiable contra relampagos que se lograra proporcionando a la lmea pararrayos fiables y de bajo coste configurados para bajos voltajes de salto de corriente y para una alta capacidad de enfriamiento del arco.

Este objetivo se logra al proporcionar una lmea de energfa electrica que comprende: soportes provistos de aislantes, al menos un conductor bajo tension acoplado a los aislantes mediante medios de sujecion, y al menos un pararrayos para la proteccion contra relampagos de los elementos de la lmea de energfa electrica. De acuerdo con la invencion, dicho pararrayos (preferiblemente, cada uno de una pluralidad de dichos pararrayos) esta configurado como pararrayos de acuerdo con la presente invencion. De acuerdo con las formas de realizacion preferentes de la invencion, uno de los electrodos principales de al menos uno o cada uno de los pararrayos de acuerdo con la invencion esta conectado, ya sea directamente o por medio de un espacio de arco de tension, a un elemento de la lmea de energfa electrica a proteger, mientras que otro electrodo principal esta conectado, ya sea directamente o a traves de un espacio de arco de tension, a tierra.

En caso de que el conductor bajo tension de la lmea de energfa electrica de acuerdo con la invencion este ubicado dentro de una capa de aislamiento protectora, un segmento de este conductor adyacente a un aislante de la lmea de energfa electrica y ubicado entre los electrodos principales del pararrayos puede utilizarse como el electrodo adicional, mientras que un segmento correspondiente de la capa protectora se puede utilizar como componente hueco del cuerpo aislante. En esta forma de realizacion, el primer electrodo principal se configurara como una abrazadera blindada dispuesta en dicho segmento de capa de aislamiento protector y conectada electricamente con un extremo de dicho segmento conductor (es decir, con el electrodo adicional). El segundo electrodo principal estara dispuesto sobre una superficie de la capa de aislamiento protectora (es decir, del componente hueco del cuerpo aislante) y se conectara electricamente con los medios de sujecion de metal para asegurar el conductor. En esta forma de realizacion, los electrodos intermedios del pararrayos estan incluidos preferiblemente dentro de una tira de un material aislante unido a la superficie de dicho segmento de la capa de aislamiento protectora.

Una de las formas de realizacion preferentes de la lmea de energfa electrica de acuerdo con la invencion utiliza una forma de realizacion de pararrayos con el cuerpo aislante y el electrodo adicional que tiene secciones transversales circulares, en que el electrodo adicional del pararrayos esta configurado como una barra del aislante instalado directamente en el pararrayos. El cuerpo aislante de esta forma de realizacion de pararrayos esta configurado como una tapa aislante del tipo empleado generalmente para fijar el aislante en la barra.

BREVE DESCRIPCION DE LAS FIGURAS.

A continuacion, se hara referencia a los dibujos adjuntos, en los que:

la FIG. 1 es una vista frontal, en seccion transversal, de una forma de realizacion de pararrayos que tiene un cuerpo aislante plano;

la FIG. 2 es una vista desde arriba de la forma de realizacion mostrada en la FIG. 1;

la FIG. 3 es una vista frontal, en seccion transversal, de un fragmento de la forma de realizacion mostrada en la FIG. 1;

la FIG. 4 es una vista desde arriba del fragmento mostrado en la FIG. 1;

la FIG. 5 es una vista frontal, en una seccion transversal, de otra forma de realizacion de pararrayos de acuerdo con la invencion que tiene un cuerpo aislante cilmdrico;

la FIG. 6 es una vista desde arriba de la forma de realizacion mostrada en la FIG. 5;

la FIG. 7 es una vista frontal, en una seccion transversal, de otra forma de realizacion de pararrayos de acuerdo con la invencion que tiene el cuerpo aislante con protuberancias en zonas donde las camaras de descarga se abren a una superficie del cuerpo aislante;

la FIG. 8 es una vista desde arriba de la forma de realizacion mostrada en la FIG. 7;

la FIG. 9 es una vista frontal, parcialmente en seccion, de una forma de realizacion de pararrayos que comprende un cuerpo aislante plano y un electrodo adicional;

la FIG. 10 es una vista desde arriba de la forma de realizacion mostrada en la FIG. 9;

la FIG. 11 muestra un fragmento de un diagrama de circuito simplificado de la forma de realizacion mostrada en la FIG. 9;

la FIG. 12 ilustra una distribucion de voltajes entre los electrodos del pararrayos;

la FIG. 13 muestra, en una seccion transversal, la forma de realizacion del pararrayos con el cuerpo aislante y el electrodo adicional en forma de cilindro con un extremo superior redondeado;

la FIG. 14 presenta una modificacion de la forma de realizacion mostrada en la FIG. 13 que tiene los electrodos intermedios dispuestos en espiral;

la FIG. 15 ilustra una forma de realizacion de HEPL de acuerdo con la invencion que comprende el pararrayos configurado con un uso de la tapa aislante y la barra aislante de metal;

la FIG. 16 muestra una forma de realizacion de pararrayos que comprende un componente hueco del cuerpo aislante y un electrodo adicional, ambos con forma de bucle;

las FIG. 17 y 18 son respectivamente una vista frontal y una vista desde arriba de una forma de realizacion de pararrayos con los electrodos intermedios soldados dentro de una capa de aislamiento de una pieza de cable;

la FIG. 19 ilustra una forma de realizacion de HEPL de acuerdo con la invencion utilizando un conductor ubicado dentro de una capa de aislamiento protectora.

MEJOR MODO PARA LLEVAR A CABO LA INVENCION

Con referencia a las FIG. 1 a 4, un pararrayos de acuerdo con la invencion comprende un cuerpo aislante plano alargado 1 hecho de un dielectrico solido, por ejemplo, de polietileno. El primer y el segundo electrodo principal 2, 3 estan instalados respectivamente en ambos extremos del cuerpo aislante 1. Debido a dicha disposicion, ambos electrodos principales estan acoplados mecanicamente al cuerpo aislante. Dentro del cuerpo aislante 1 m se ubican 4 electrodos intermedios. Se seleccionara un valor mmimo de m igual a dos, mientras que se seleccionara un numero optimo de electrodos intermedios segun su configuracion particular, una sobretension precalculada y otras condiciones de su funcionamiento. La forma de realizacion del pararrayos mostrada en las FIG. 1 a 4 comprende 5 electrodos intermedios 4 configurados como placas rectangulares desplazadas entre sf a lo largo del eje longitudinal del pararrayos (este eje conecta los electrodos principales 2, 3). Entre cada par de electrodos intermedios adyacentes 4 se forma un espacio de arco de tension, y este espacio determina una distancia entre los electrodos adyacentes (medida a lo largo de la lmea que conecta dichos electrodos adyacentes). De acuerdo con la invencion, la longitud del espacio del arco de tension no debe ser menor que la distancia minima g entre los electrodos 4 seleccionados, dependiendo de las condiciones particulares del funcionamiento del pararrayos, tal como se describira mas adelante. Cada espacio de arco de tension de este tipo se encuentra en una camara de descarga 5 que se abre a una superficie del cuerpo aislante 1.

Para proteger las instalaciones de alto voltaje o las lmeas de energfa electrica, uno de los electrodos principales (por ejemplo, el primer electrodo principal 2) del pararrayos, directamente o mediante un espacio de chispa, esta conectado a un elemento de alto voltaje de una instalacion o de una lmea de energfa electrica, por ejemplo, a un conductor de lmea (que no se muestra en las FIG. 1 a 4), para conectarse en paralelo con un elemento electrico a proteger, por ejemplo, con un aislante (que no se muestra en las FIG. 1 a 4). Por su otro, respectivamente, el segundo electrodo principal 3, el pararrayos directamente o a traves de un espacio de chispa, esta conectado a tierra.

Cuando un impulso de sobretension impacta el pararrayos, se desarrolla una descarga desde el primer electrodo principal 2 hacia el segundo electrodo principal 3, causando interrupciones secuenciales de los espacios de arco de tension entre los electrodos intermedios 4. Esta descarga, dependiendo de las condiciones de su desarrollo, puede ser de diferentes tipos, es decir, como una descarga de emision, una descarga de avalancha o una descarga lfder. Con el objetivo de asegurar una mejor comprension de la invencion y las implementaciones espedficas de la misma, solo se considerara a continuacion una forma de realizacion de la invencion que utiliza la descarga de emision, incluso aunque la invencion sea completamente aplicable a otros tipos de descarga. En el proceso de su inicio y desarrollo, un canal de chispa 6 se expande a una velocidad supersonica. Tal como se describira en detalle a continuacion, si los volumenes de las camaras de descarga de chispas 5 formadas entre los electrodos intermedios se hacen lo suficientemente pequenos, el desarrollo de la descarga dara lugar a una alta presion dentro de las camaras. Bajo la accion de esta presion, los canales de descarga de chispa 6 formados entre los electrodos intermedios se dirigiran hacia la superficie del cuerpo aislante (tal como se muestra esquematicamente en las FIG. 1 y 3) y a continuacion se expulsaran de las camaras al aire alrededor del pararrayos Debido a dicha accion de soplado que tiene como resultado el alargamiento de los canales entre los electrodos intermedios, aumentara la resistencia electrica total de todos los canales. Como resultado, la resistencia total del pararrayos tambien aumentara, y esto limitara la corriente de impulso de sobretension del relampago. Despues de la finalizacion del impulso de sobretension del relampago, una tension a una frecuencia operativa permanecera aplicada al pararrayos. Sin embargo, debido a que el pararrayos tiene una gran resistencia electrica, el canal de descarga se rompera en una pluralidad de canales elementales entre los electrodos intermedios, y la descarga se detendra, siendo incapaz de sostenerse.

Con el fin de lograr una alta eficacia de enfriamiento, los parametros del pararrayos de acuerdo con la invencion, especialmente parametros tales como una distancia minima g entre los electrodos adyacentes separados por la camara de descarga 5, asf como el ancho de las camaras de descarga 5 en una zona de inicio de la descarga y el grosor b de la capa de aislamiento se seleccionaran en funcion de las caractensticas precalculadas de la descarga (en particular, de la corriente de descarga y su inclinacion, asf como del diametro de descarga precalculado). Tal como se mostrara a continuacion, el diametro de descarga se puede estimar con suficiente precision basandose en los requisitos para el pararrayos de acuerdo con su proposito, es decir, por las caractensticas y condiciones de uso de un elemento de un equipo de alto voltaje o una HEPL que van a ser protegidos por el pararrayos

Mas espedficamente, cuando se seleccionan los parametros de diseno de los pararrayos empleados para la proteccion de la HEPL, es necesario tener en cuenta que son posibles dos regfmenes sustancialmente diferentes de su funcionamiento dependiendo de si un relampago cae cerca de una lmea electrica de alto voltaje, o directamente en dicha lmea electrica.

El primer regimen corresponde a proteger la HEPL de las sobretensiones inducidas, es decir, de las sobretensiones que se desarrollan cuando los relampagos caen cerca de la HEPL. Dicha sobretension se caracteriza por amplitudes relativamente limitadas, que no superan los 300 kV, y por una corta duracion (aproximadamente de 2 a 5 js). La corriente tiene una amplitud del orden de 1 a 2 kA, mientras que la derivada de corriente, di / dt, en el frente del impulso esta en un intervalo de 0.1 a 2 kA / js. Tal como se demostro en los experimentos de laboratorio, en relacion con este regimen y la descarga de tipo de emision, la longitud optima del espacio del arco de tension se encuentra en un intervalo de 0.1 a 2 mm. Las sobretensiones inducidas son peligrosas solo para lmeas electricas de la clase de voltaje medio, es decir, para HEPL de 6 a 35 kV, siendo las sobretensiones inducidas la causa principal de cortes de luz en estas lmeas. Un relampago directo (DLS) es una posibilidad bastante rara debido a las alturas relativamente pequenas de los soportes de HEPL. Por lo tanto, para proteger los elementos de las HEPL de las sobretensiones inducidas, es conveniente utilizar los pararrayos con g = 0.1-2 mm.

El DLS en un objeto aislado bien conectado a tierra puede dar como resultado una corriente de relampago que llega hasta mas de 100 kA, con una duracion de descarga de 50 a 1000 js y con la derivada de corriente, di / dt, en el frente del impulso hasta 20 kA / js . El DLS en un conductor de lmea de HEPL puede llevar, en teona, a voltajes de hasta 10 MV. Sin embargo, el d Ls en la HEPL de la clase de voltaje medio protegido por los pararrayos conectados electricamente en paralelo a cada aislante, hace que los pararrayos se activen en varios soportes, debido a las distancias limitadas entre los soportes (50 a 100 m) y a un nivel de aislamiento de la lmea electrica relativamente bajo (100 a 300 kV). Por lo tanto, la corriente del relampago se ramifica entre varios soportes, con una ramificacion adicional en los soportes en tres componentes entre los pararrayos asociados con cada una de las fases actuales. Tal como se encuentra en las mediciones de campo, la corriente a traves de un soporte no excede los 20 kA. Para dichos niveles de corriente, es preferible aumentar, hasta 4-5 mm, la distancia minima g entre los electrodos adyacentes separados por las camaras de descarga, para evitar el desarrollo de canales conductores formados a partir de un metal fundido de los electrodos.

En las HEPL de clase de alto voltaje (110-220 kV), las distancias entre los soportes estan en un intervalo de 200 a 300 m, mientras que el nivel de aislamiento corresponde a 500-1000 kV. Por lo tanto, en el caso del DLS, los pararrayos de uno o dos soportes realizan la derivacion de la corriente del relampago, de modo que la corriente a traves de un pararrayos no supere los 40 kA. Por esta razon, el valor de g en tales HEPL se selecciona preferiblemente en un intervalo de 5-10 mm.

En las HEPL de clase de voltaje super alto (330-750 kV), las distancias entre los soportes alcanzan los 400 a 500 m, mientras que el nivel de aislamiento corresponde a 2000-3000 kV. Por lo tanto, en el caso del DLS, los pararrayos del soporte unico o solo un pararrayos de una fase alcanzada por el relampago participan en la derivacion de la corriente del relampago. En tales casos, la corriente a traves de un pararrayos puede alcanzar 60 a 100 kA. Para las HEPL de este tipo, el valor de g se selecciona preferiblemente en un intervalo de 10 a 20 mm.

A la vista de los datos anteriores, cuando el pararrayos de acuerdo con la invencion se utiliza para proteger elementos de las HEPL de la clase de voltaje medio, la distancia minima g entre los electrodos adyacentes separados por la camara de descarga se selecciona preferiblemente en un intervalo de 0.1 a 5 mm. En caso de que el pararrayos de acuerdo con la invencion este destinado a proteger elementos de las HEPL de la clase de alta o muy alta tension, la distancia g debe seleccionarse preferiblemente en un intervalo de 5 mm a 20 mm.

Una evaluacion de un area de seccion transversal S de las camaras de descarga y un grosor de aislamiento b se puede hacer basandose en las siguientes consideraciones.

Un radio estimado rk de un canal de emision para una descarga en aire en condiciones normales puede determinarse de acuerdo con la formula propuesta por S. I. Braginsky (cf. High voltage techniques: Textbook for Universities - (Tecnicas de alta tension: libro de texto para universidades), ed. G. S. Kuchinsky, San Petersburgo, "Energoatomizdat", 2003, p. 88):

donde t es tiempo, en segundos; di / dt es un coeficiente de un aumento de impulso de corriente, en amperios por segundo.

La siguiente tabla incluye los valores del radio rk calculado segun la formula (1) para varios valores, los mas representativos, de di / dt y t. Cabe senalar que el radio de canal rk y, respectivamente, su diametro Dk = 2rK son funciones de tiempo, lo que significa que aumentan con el tiempo. Los datos calculados se organizan en orden correspondiente a un aumento gradual del radio del canal de transmision.

Tabla. Valores iniciales y resultados calculados para k

Los valores presentados para t corresponden a las duraciones del frente del impulso para los casos mas representativos de utilizacion del pararrayos: 1) para las sobretensiones inducidas (cuando un relampago cae cerca de una lmea electrica); 2) para impactos repetidos en el caso de un relampago directo en un conductor de lmea; 3) para un impacto de relampago en la HEPL, con un salto de corriente de aislamiento (por ejemplo, de una pila de aislantes) a continuacion; 4) un impacto de luz directo en el conductor de la HEPL. Los valores di/ dt presentados en la Tabla tambien corresponden a los casos identificados anteriormente.

Obviamente, al estimar el radio (diametro) del canal para la descarga de emision (u otro tipo), es posible utilizar diferentes formulas de calculo o metodos experimentales optimizados para aplicaciones espedficas del pararrayos y / o para formas de realizacion particulares del pararrayos de acuerdo con la invencion (por ejemplo, para formas particulares de las camaras de descarga o disenos particulares de los electrodos intermedios). Sin embargo, tal como lo confirmaron los experimentos de laboratorio, los calculos basados en la formula (1) producen resultados aceptables practicamente para todas las formas de realizacion del pararrayos dentro del alcance del conjunto de reivindicaciones adjuntas.

Para garantizar que se desarrolle una presion excesiva dentro de la camara de descarga en el curso de una descarga, se deben cumplir ciertas condiciones. Estas condiciones se examinaran a continuacion en relacion con una forma de realizacion de pararrayos con los electrodos intermedios configurados como placas y con las camaras de descarga en forma de paralelepfpedos (ver FIG. 1). La descarga del cable se origina entre esos puntos en los electrodos intermedios adyacentes, que corresponden a una intensidad de campo maxima (en la forma de realizacion de la figura 1, dichos puntos coinciden con las esquinas de los electrodos intermedios). Cuando se desarrolla la descarga por emision, un canal de descarga se expande radialmente desde su eje a una velocidad supersonica. Si el diametro de un canal de descarga por emision se hace mas grande que la profundidad de la camara de descarga h, es decir,

Dk> h = b a, (2)

donde b es el grosor de la capa de aislamiento, a es el grosor del electrodo, y a continuacion la descarga se desarrolla dentro de la camara. En dicho caso, se crea una alta presion en el interior de la camara, que tiene como resultado la creacion de un soplido de aire. De ello se deduce que el grosor de aislamiento mmimo que contribuye al enfriamiento se define como

b = DK-a, (3)

donde a es el grosor del electrodo. Cuanto mayor sea el grosor de aislamiento b, mas fuerte se generara el soplado en el proceso de expansion del canal de emision, y a continuacion seguira el enfriamiento y extincion mas intensos del canal. Por lo tanto, para mejorar la fiabilidad de la extincion, el valor de b se selecciona preferiblemente como superior al diametro del canal estimado Dk.

Por otro lado, el aumento de los valores de b tiene como resultado el aumento de la presion del gas en las paredes de las camaras de descarga, y esto puede conducir a la destruccion del pararrayos. El grosor optimo del aislamiento b se puede determinar, mediante calculos y / o experimentalmente, al elaborar una forma de realizacion espedfica del pararrayos en funcion de su aplicacion y de los materiales empleados. Sin embargo, si el grosor del electrodo es de aproximadamente 1 mm, es posible, utilizando la formula (3) y los datos de la Tabla, determinar que este grosor b oscila entre 1 mm y aproximadamente 35-40 mm.

Un area estimada de una seccion longitudinal del canal de transmision corresponde a Dk ■ g. En caso de que el ancho de la camara de descarga sea menor que Dk, de modo que

S < Dk • g, (4)

la emision abarcara todo el ancho de la camara de descarga antes de que su diametro alcance el valor estimado Dk. En otras palabras, la descarga de emision cubrira en su totalidad el area de seccion transversal S de la camara de descarga. Como resultado, el canal del cable se expulsara fuera de la camara de descarga, lo que conducira a un enfriamiento acelerado.

Al insertar en (4) los valores apropiados del diametro Dk = 2n<, donde los valores del radio del canal de emision rk se toman de la Tabla (r< = 0.5-18 mm y g = 0.1 a 20 mm), se pueden determinar facilmente los valores concretos y los posibles intervalos para las areas de seccion transversal de las camaras de descarga:

S < 2 r< • g = 20, 5 18 • 0, 1 20 = 0, 1 720 « 0, 1 700 mm 2 (5) En algunos aspectos, un mecanismo de extincion de descarga de chispa es similar al de la descarga por arco dentro del pararrayos tubular descrito en la parte anterior de la TECNICA ANTERIOR, pero existe una diferencia importante que consiste en que el arco (que tiene una temperatura de aproximadamente 20,000 °C) quema dentro del pararrayos tubular durante un tiempo relativamente largo (hasta 10 ms). Dicho arco quema las paredes del tubo generador de gas, y los gases formados en el curso de una destruccion termica son expulsados fuera del canal de descarga. En el pararrayos de acuerdo con la invencion, la extincion de la descarga por chispa se realiza inmediatamente despues de la finalizacion del impulso de sobretension del relampago, siendo la duracion promedio de este impulso del orden de 50 ps, es decir, aproximadamente tres ordenes de magnitud menos que la duracion del arco quemando. Ademas, la temperatura del canal de emision no supera los 5,000 °C, por lo que es aproximadamente cuatro veces menor que la temperatura del arco. Debido a estos dos factores, no hay erosion del pararrayos de acuerdo con la invencion, incluso despues de una serie de activaciones del mismo.

Las siguientes variantes de las aplicaciones del pararrayos son relevantes para un uso practico:

1) para la proteccion de las HEPL de clase de voltaje medio (MV) 6-35 kV de las sobretensiones inducidas (consultar la Tabla, lmeas 1 y 2);

2) para la proteccion de las HEPL de alta tension (HV) 110-220 kV y super alta tension (SHV) 330-7500 kV de los saltos de corriente inversos en caso de que se utilice un cable de proteccion contra relampagos (consultar la Tabla, lmeas 5 y 6);

3) para la proteccion de HEPL de clase de alto voltaje 110-220 kV y clase de super alto voltaje (SHV) 330­ 7500 kV de los impactos directos del relampago en el conductor de la lmea de transmision (consultar la Tabla, lmeas 3, 4 y 7, 8) y de los saltos de corriente inversos (ver la Tabla, lmeas 5 y 6) en los casos en que no se utiliza el cable de proteccion contra relampagos.

Al disenar los pararrayos, se tendran en cuenta las condiciones mas duras de su uso en las HEPL de una determinada clase, es decir, los valores mas grandes de las tasas de aumento de impulso de corriente, di / dt y tiempo t. Por lo tanto, al disenar el pararrayos para proteger la HEPL de 6-35 kV de las sobretensiones inducidas, se utilizaran los datos presentados en la lmea 2 de la Tabla (t = 2 ps y rK = 1.8 mm, respectivamente) en los calculos. Ademas, de acuerdo con la invencion, el grosor b de la capa de aislamiento debe hacerse preferiblemente mayor que el diametro del canal Dk en el momento en que el voltaje este en su maximo, por ejemplo, b > Dk = 2rK = 2 • 1.8 = 3.6 mm. El area de la seccion transversal de la camara de descarga S de acuerdo con la invencion se seleccionara como S <DK • g = 2 • 3.6 = 7.2 mm2. Por ejemplo, la camara de descarga con la seccion transversal circular tendra un diametro

Los estudios experimentales han demostrado que en formas de realizacion para aplicaciones de acuerdo con la variante 1, que es para proteger la HEPL de 10 kV y la HEPL de 20 kV de las sobretensiones inducidas, se pueden seleccionar los siguientes parametros del pararrayos, respectivamente: un numero de camaras de descarga m = 50 g = 2 mm; b = 4 mm; d = 3 mm; S = 7 mm2 (forma de realizacion 1) y m = 150; g = 3 mm; b = 4 mm; d = 3 mm; S = 7 mm2 (forma de realizacion 2).

Se debe tener en cuenta ademas que, en el pararrayos de acuerdo con la invencion, las limitaciones existen solo en relacion con la distancia minima entre los electrodos adyacentes separados por la camara de descarga, sobre el grosor de aislamiento mmimo y sobre el area de la seccion transversal maxima de la camara de descarga. Por lo tanto, el diseno del pararrayos se puede optimizar para variantes particulares de su uso, variando los parametros indicados anteriormente, asf como las formas de las camaras de descarga en un intervalo suficientemente amplio.

Las FIG. 5, 6 ilustran una forma de realizacion de pararrayos que tiene un cuerpo aislante cilmdrico 1 y camaras de descarga 5 que se extienden desde los electrodos intermedios 4 a una superficie superior y a una superficie inferior del cuerpo aislante 1. Por lo tanto, las camaras de descarga 5 estan configuradas como aberturas pasantes formadas en el cuerpo aislante 1 para determinar los espacios de descarga de aire entre los electrodos intermedios 4. La seccion transversal de la camara de descarga puede tener una forma rectangular (tal como se muestra en las FIG. 1 a 4), una forma circular (tal como se muestra en la FIG. 6) o alguna otra forma. La forma de realizacion mostrada en las FIG. 5, 6 es mas facil de fabricar que la forma de realizacion mostrada en las FIG. 1 a 4 ya que permite utilizar, en el proceso de fabricacion, el corte hidroabrasivo altamente eficiente de los materiales empleados, cuyo corte garantiza una formacion rapida y precisa de las aberturas pasantes.

En las camaras de descarga pasantes (abiertas a ambas superficies del cuerpo aislante), una presion que se desarrolla en la camara cuando el canal de descarga se expande es menor que en las camaras con forma de cavidades (que se abren solo a una superficie del cuerpo aislante); por esa razon, la velocidad del canal de descarga y, por lo tanto, la eficiencia de enfriamiento en dichas camaras no es tan alta como en las camaras del otro tipo. Sin embargo, tienen una mejor fiabilidad funcional debido a una menor probabilidad de que se produzca una disrupcion en la camara de descarga debido a una presion excesiva. Esto se aplica tambien a las camaras en forma de hendidura. Tienen una eficiencia de enfriamiento mas baja, pero su fuerza electrodinamica (que es la capacidad de soportar grandes corrientes, por ejemplo, en el caso de un DLS en una lmea) es mayor. Por esa razon, una seleccion adecuada de un tipo y forma de las camaras de descarga dependera de la utilizacion prevista del pararrayos (por ejemplo, para la proteccion contra sobretensiones inducidas o del DLS) y de la tecnologfa de fabricacion y consideraciones de costes.

Las FIG. 7, 8 ilustran una forma de realizacion del pararrayos con el cuerpo aislante 1 con forma de tira flexible con protuberancias en zonas donde las camaras de descarga 5 se abren a una superficie del cuerpo aislante 1 y con los electrodos intermedios 4 configurados como metal circular o arandelas de grafito. Esta forma de realizacion se caracteriza por el uso mas economico de un material aislante empleado para producir el cuerpo aislante 1. De hecho, es necesario garantizar un grosor de aislamiento b requerido que determine un tamano de la camara de descarga a lo largo de su eje solo en zonas donde la camara de descarga se abre a la superficie del cuerpo aislante.

Las FIG. 9, 10 ilustran una forma de realizacion de pararrayos con un cuerpo aislante plano 1 y con un electrodo adicional 7. El primer electrodo principal 2 debe conectarse a un elemento de una lmea de energfa electrica de alto voltaje, por ejemplo, a un conductor de lmea al que se aplica un potencial de alto voltaje; el segundo electrodo principal 3 debe conectarse a tierra con potencial cero. En esta forma de realizacion, como complemento de las camaras de descarga 5 entre los electrodos intermedios 4, se encuentran formadas camaras de descarga adicionales entre cada uno de los electrodos principales 2, 3 y el electrodo intermedio 4 adyacentes a los mismos. Las camaras de descarga adicionales pueden configurarse de manera similar a las camaras de descarga entre los electrodos intermedios. Sin embargo, en algunas formas de realizacion del pararrayos de acuerdo con la invencion, los parametros de dichas camaras de descarga adicionales pueden modificarse considerando que la longitud del canal de descarga en estas camaras puede exceder la longitud de un canal similar en las camaras de descarga restantes.

El electrodo adicional 7 esta conectado electricamente al segundo electrodo principal 3, por lo que tambien tiene un potencial cero. Por lo tanto, un alto voltaje aplicado entre los electrodos principales 2 y 3 tambien se aplica entre el primer electrodo principal 2 y el electrodo adicional 7. Se selecciona una anchura del cuerpo aislante plano 1 de modo que la resistencia electrica a lo largo de las distancias mas cortas entre los electrodos 2 y 7 en las superficies superior e inferior del cuerpo aislante plano sea mayor que entre los electrodos principales 2 y 3. Las caractensticas de aislamiento de un material utilizado para producir el cuerpo aislante 1 y su grosor se seleccionaran de tal manera que la resistencia electrica a lo largo de dichas distancias sea mayor que el voltaje de salto de corriente entre los electrodos principales 2 y 3 del pararrayos. Esta es una condicion necesaria para garantizar que, en caso de sobretension, la descarga se desarrolle desde el electrodo principal 2 a traves de los espacios de arco de tension entre los electrodos intermedios 4 y el segundo electrodo principal 3, en lugar de hacerlo directamente entre el electrodo principal 2 y el electrodo adicional 7. Debido a la presencia del electrodo adicional, esta forma de realizacion del pararrayos se caracteriza por bajos voltajes de salto de corriente, por lo que es posible limitar la sobretension a un nivel bastante bajo. La forma en que el electrodo adicional influye en los voltajes de salto de corriente se explica con una referencia a las FIG. 11 y 12.

La FIG. 11 muestra un fragmento de un diagrama de circuito basico de la forma de realizacion del pararrayos presentada en la FIG. 9, en que el fragmento incluye el primer electrodo principal 2, el electrodo intermedio adyacente 4 y el electrodo adicional 7. Las capacitancias C1 y Co existen respectivamente entre los electrodos 2 y 4 y entre los electrodos 4 y 7. Estas capacitancias estan conectadas en serie, en que, bajo un impacto del impulso de sobretension, cuando se aplica un voltaje U al pararrayos, se aplica un voltaje U1 a la capacitancia C1 y de esta manera al espacio de arco de tension entre el primer electrodo principal 2 y el electrodo intermedio adyacente 4. El valor de U1 se puede determinar, en unidades relativas, de acuerdo con la formula:

Debido a las dimensiones relativamente grandes de un area de superficie en el electrodo intermedio 4 que se encuentra frente al electrodo adicional 7, asf como al hecho de que la permitividad dielectrica £ de un dielectrico solido es sustancialmente mayor que la permitividad dielectrica del aire £o (generalmente £ / £o “ 2 3) , la capacitancia entre el electrodo intermedio 4 y el electrodo adicional 7 (es decir, la capacitancia entre este electrodo intermedio y el suelo) es sustancialmente mayor que la capacitancia entre este electrodo y el electrodo principal 2: Co> Ci y, respectivamente, Ci / Co < 1.

Cuando el valor Ci / Co se encuentra en el intervalo Ci / Co = 0.1 1, la tension Ui se encuentra en el intervalo U1 = (0.500.9i) U. Por lo tanto, cuando el pararrayos se ve afectado por el voltaje U, la parte principal (al menos, mas de la mitad) de este voltaje se aplicara al primer espacio de arco de tension entre los electrodos 2 y 4. Bajo el impacto de este voltaje, Ui, dicho espacio se interrumpe, de modo que el electrodo intermedio 4 mas cercano al electrodo principal 2 adquiere el mismo potencial que el electrodo principal 2, mientras que el siguiente electrodo intermedio, adyacente al primer electrodo intermedio, adquiere el potencial U0. A continuacion se repite una imagen ffsica de la ruptura de un espacio de arco de tension. De esta manera, se desarrolla un salto de corriente en cascada (es decir, secuencial) de los espacios entre los electrodos intermedios, con la formacion de una descarga de chispa. Debido al caracter en cascada de las rupturas de los espacios de descarga, se garantiza el bajo voltaje de salto de corriente requerido para la activacion del pararrayos en su totalidad.

La FIG. i3 ilustra la forma de realizacion del pararrayos con el cuerpo aislante i con forma de cilindro con un extremo superior redondeado. El cuerpo aislante i de esta forma de realizacion comprende un componente cilmdrico hueco y un componente solido que tiene el extremo redondeado. El electrodo adicional 7 ubicado dentro del componente hueco del cuerpo aislante i tambien tiene forma de cilindro con el extremo superior redondeado. El primer electrodo principal 2 del pararrayos esta conectado a un conductor de lmea 9 de la HEPL a traves de un espacio de arco de tension i0. En el caso de la sobretension en el conductor 9, inicialmente se forma un salto de corriente a traves del espacio de arco de tension i0; como resultado, se aplica una alta tension al primer electrodo principal 2. El funcionamiento posterior del pararrayos es el mismo que se ha descrito anteriormente con referencia a las FIG. i a 4.

La FIG. i4 ilustra la forma de realizacion del pararrayos con los electrodos intermedios 4 dispuestos a lo largo de una lmea espiral que pasa cerca de una superficie del componente hueco del cuerpo aislante alargado i, en donde el electrodo adicional 7 (conectado con el segundo electrodo principal 3) esta ubicado dentro del componente hueco. Dicha disposicion hace posible suministrar al pararrayos un numero mayor de electrodos intermedios 4 que en la forma de realizacion anterior mostrada en la FIG. i3, y, de esta manera, mejora aun mas la capacidad de enfriamiento del arco del pararrayos. De acuerdo con esta forma de realizacion (y tambien con otras formas de realizacion que se describen a continuacion), tanto el componente hueco como el electrodo adicional tienen preferentemente una seccion transversal circular, al menos, en la zona de ubicacion de los electrodos intermedios. Dicha seccion transversal simplifica una distribucion uniforme de los electrodos intermedios 4 sobre la superficie del cuerpo aislante i y hace posible utilizar el mismo grosor de la capa de aislamiento en cualquiera de las direcciones radiales.

La FIG. i5 muestra una forma de realizacion de HEPL de acuerdo con la invencion que comprende el pararrayos que se suministra con una tapa aislante y una barra metalica del tipo utilizado en los aislantes. Esta forma de realizacion de pararrayos es similar a las formas de realizacion mostradas en las FIG. i3 y i4, pero difiere de ellos en que, en lugar del espacio de arco de tension i0, se utiliza un aislante i2 de la HEPL. Por lo tanto, en esta forma de realizacion, el electrodo adicional 7 del pararrayos funciona tambien como la barra a la que se fija el aislante de HEPL. El cuerpo aislante i del pararrayos tambien funciona como un aislamiento de polfmero del capuchon del tipo que se emplea habitualmente al instalar el aislante de HEPL en la barra. Igual que en la forma de realizacion mostrada en las FIG. i3 y i4, tanto el componente hueco del cuerpo aislante como el electrodo adicional tienen las secciones transversales circulares. Para simplificar la fabricacion del pararrayos, su primer electrodo principal 2 puede tener el mismo diseno que los electrodos intermedios 4.

En el caso de la sobretension en el conductor de lmea 9 de la HEPL, inicialmente se desarrolla una descarga i3 a lo largo de la superficie del aislante i2, de modo que se aplica una alta tension al primer electrodo principal 2. A esto le siguen los saltos de corriente en cascada de los espacios entre los electrodos intermedios 4. Por lo tanto, el pararrayos funciona de la misma manera que se ha descrito anteriormente.

Debido a que los elementos del pararrayos realizan funciones de medios de sujecion de HEPL, esta forma de realizacion se caracteriza por un tamano pequeno y unos bajos costes.

i i

La FIG. 16 muestra la forma de realizacion de pararrayos de las FIG. 7, 8 instalado en un brazo de un pararrayos de salto de corriente largo del tipo de bucle (LF^a L) (cf. Patente rusa No. 2096882, 17 de noviembre de 1995, H01 T4 / 00, y tambien G. V. Podporkin, G. V. Sivaev. Modern lightning protection of overhead distribution power lines with long-spark lightning arresters rated for 6 - 10 kV (Proteccion moderna contra relampagos en lmeas electricas de distribucion aereas con pararrayos de chispas largas clasificada para 6, 10 kV), «Electro», 2006, No. 1, pp. 36-42).

La LFAL consiste en una barra de metal doblada para formar un bucle y cubierta con una capa de aislamiento 11 formada de polietileno de alta presion. Los extremos del bucle aislado se fijan en una abrazadera de sujecion mediante la cual la LFAL se acopla a una barra de un aislante instalado en el soporte de una HEPL (que no se muestra). Un tubo de metal que rodea la capa de aislamiento se coloca en la parte media del bucle y esta conectado a un conductor de lmea a traves de un espacio de arco de tension.

El funcionamiento del pararrayos se basa en el empleo de un efecto de descarga progresiva, cuyo efecto asegura una gran longitud de un salto de corriente de impulso a traves de la superficie del pararrayos y, por lo tanto, evita una transformacion del salto de corriente de impulso en el arco de potencia de la frecuencia operativa.

Cuando se forma un impulso de relampago inducido en el conductor de lmea, el espacio de aire del arco de tension entre el conductor y el tubo de metal del pararrayos se descompone, de modo que se aplicara un voltaje al aislamiento entre el tubo de metal y la barra de metal que forma el bucle, en que la barra tiene el mismo potencial que el soporte de la HEPL.

Debido al voltaje de impulso aplicado, se desarrollara una descarga progresiva a lo largo de la superficie del aislamiento del bucle desde el tubo de metal (que es desde el primer electrodo principal 2) hasta la abrazadera del pararrayos (hasta el segundo electrodo principal 3) a traves de uno o ambos extremos de los brazos de bucle. Debido al efecto de descarga progresiva, la caractenstica de voltios y segundos del pararrayos se ubica bajo una caractenstica similar del aislante, de modo que, bajo la condicion de sobretension del relampago, el salto de corriente se desarrolla a traves del pararrayos, pero no sobre el aislante.

Una vez que la corriente de relampago de impulso pasa, la descarga se extingue sin convertirse en el arco de alimentacion, de modo que se evitan un cortocircuito, el dano del conductor y la interrupcion de la HEPL.

Cuando la LFAL se utiliza en combinacion con el pararrayos de la invencion, por ejemplo, configurado de acuerdo con la forma de realizacion mostrada en las FIG. 7, 8, las funciones del primer y segundo electrodos principales 2, 3 son realizadas, respectivamente, por el tubo de metal y la pinza de la LFAL, mientras que el componente hueco del cuerpo aislante y el electrodo adicional (en esta forma de realizacion ambos tienen un perfil en forma de U), estan formados, respectivamente, por la capa de aislamiento 11 y la barra metalica de la LFAL. Los electrodos intermedios estan incrustados dentro de una tira enrollada helicoidalmente alrededor del componente hueco en uno de los brazos de la LFAL.

En el caso de que se utilice dicha combinacion de LFAL y del pararrayos de acuerdo con la invencion en la condicion de sobretension, los saltos de corriente en cascada de los espacios entre los electrodos intermedios se desarrollan a un voltaje mas bajo que cuando se utiliza solo la LFAL. Ademas, a diferencia de utilizar solo la LFAL, se asegura un enfriamiento efectivo de la descarga antes de que la corriente a la frecuencia de la energfa pase el valor cero. Por lo tanto, la combinacion de la LFAL y el pararrayos de acuerdo con la invencion tiene un tamano menor y una efectividad mas alta que la LFAL tfpica, y, ademas, puede utilizarse para voltajes de clases mas altas.

Las FIG. 17 y 18 ilustran una forma de realizacion de pararrayos producida usando una tecnologfa de cable. Como parte sin procesar para fabricar el pararrayos, se utiliza una pieza de un cable apropiado con un aislamiento solido, en que el aislamiento solido y un nucleo del cable forman el componente hueco del cuerpo aislante 1 y el electrodo adicional 7 respectivamente. Se coloca un cable o banda de metal en la superficie de dicha pieza de cable, y a continuacion se aplica una capa solida mas de aislamiento (por ejemplo, por extrusion seguida de la soldadura de la nueva capa al aislamiento del cable). De esta manera, se forma el cuerpo aislante del pararrayos, que consiste en el aislamiento del cable (que forma el componente hueco) con la capa de aislamiento adicional que cubre este aislamiento. Despues de eso, se producen las camaras de descarga 5 (es decir, por perforacion o por fresado) en el cuerpo aislante 1, estas camaras forman los espacios de descarga entre los electrodos intermedios 4 y (preferentemente) entre los electrodos principales 2, 3 y los electrodos intermedios 4 adyacentes a los mismos. Las camaras de descarga tendran una seccion transversal circular (si se produce por perforacion) o, alternativamente, una seccion transversal rectangular (por ejemplo, con forma de hendidura) (si se produce por fresado). Para lograr una disposicion mas compacta de los electrodos intermedios y para reducir las dimensiones del pararrayos, dicha banda o cable de metal puede enrollarse helicoidalmente, de manera similar a la disposicion utilizada en la forma de realizacion mostrada en la FIG. 16. En el caso de la disposicion en espiral de las camaras en forma de hendidura, es necesario verificar que las camaras correspondientes a los giros adyacentes de la espiral no esten dirigidas una hacia la otra. Se descubrio experimentalmente que, en caso de que no se cumpla esta condicion, los canales de descarga, cuando son expulsados de las camaras de descarga, pueden fusionarse en un canal comun ubicado en el aire por encima del cuerpo aislante, el cual se fusiona dando como resultado una fuerte cafda de la capacidad de enfriamiento del arco del pararrayos. Por lo tanto, las camaras de descarga con forma de hendidura en giros adyacentes se deben desplazar o rotar adicionalmente linealmente entre sf

Con el fin de simplificar la fabricacion del pararrayos, el cable o la banda metalicos pueden reemplazarse por un cable conductor o una banda hecha de fibra de carbono. Dicha sustitucion hara que el paso de perforar o fresar las camaras de descarga sea sustancialmente mas facil de realizar. La forma de realizacion descrita se caracteriza no solo por su efectividad tecnologica, sino tambien por una alta resistencia mecanica.

La FIG. 19 muestra un fragmento de una HEPL con conductores protegidos y con una forma de realizacion de pararrayos optimizada para esta HEPL en particular. Un soporte 14 hecho de algun material conductor (como hormigon armado, acero y similares) lleva un aislante 12 al cual se fija un conductor 9 que tiene una capa protectora de aislamiento 16 con la ayuda de medios de sujecion de metal 15. Una abrazadera que tiene un contacto electrico con los medios de sujecion 15 y que actua como el segundo electrodo principal 3 de la forma de realizacion de pararrayos de las FIG. 7, 8 esta colocada sobre el conductor. El primer electrodo principal 2 esta configurado como una abrazadera blindada. Esta abrazadera, que fija el pararrayos al conductor, esta en contacto electrico con un nucleo del conductor 9, de modo que el segmento de este nucleo entre los electrodos principales 2, 3 actua tambien como el electrodo adicional 7 del pararrayos. La tira, dentro de la cual estan incrustados los electrodos intermedios del pararrayos, esta fijada a (es decir, enrollada helicoidalmente alrededor de) un segmento de la capa de aislamiento protectora 16 situada entre los electrodos principales, segmento que funciona como el componente hueco del cuerpo aislante del pararrayos

Cuando se aplica una sobretension al conductor 9, primero se realiza un salto de corriente a traves del aislante 12, de modo que los medios de sujecion junto con el segundo electrodo principal 3 tendran el potencial de tierra (que es cero), mientras que el conductor 9 y, respectivamente, la abrazadera blindada (el primer electrodo principal 2) estara por debajo del potencial de sobretension. Esto significa que la sobretension se aplicara entre el primer electrodo principal 2 (la abrazadera blindada) y el segundo electrodo principal 3 (la abrazadera), y esta sobretension causara saltos de corriente en la lmea de todos los espacios entre los electrodos principales 2, 3 y los electrodos intermedios 4. Como resultado, el nucleo del conductor 9 a traves de la abrazadera blindada, a traves de los espacios entre los electrodos intermedios 4, a traves del segundo electrodo principal 3, a traves de los medios de sujecion 15, y a traves del canal de descarga a traves del aislante 12 se conecta electricamente al soporte en tierra 14, de modo que la corriente de sobretension del relampago fluya a lo largo de esta trayectoria hacia el suelo. Una vez que el impulso del relampago termina, la corriente de descarga se extingue, sin pasar a la etapa del arco de potencia, y la lmea continua funcionando sin interrupcion.

Las capacidades operativas del pararrayos de acuerdo con la invencion se han confirmado mediante experimentos en el curso de los cuales se probaron pararrayos de dos tipos con capacidad nominal de 10 kV y producidos especialmente para este fin: 1) el pararrayos de salto de corriente largo de un tipo en espiral, LFAL- 10, con electrodos intermedios en forma de anillo; y 2) la LFAL-10 sin dichos anillos pero con la forma de realizacion de pararrayos de acuerdo con la invencion (que se muestra en la FIG. 16) enrollado alrededor de uno de los brazos de la LFAL-10. Los dispositivos probados teman las siguientes caractensticas esenciales:

un cable de tipo PIGR-8 fabricado por la planta «Sevkabel» (San Petersburgo, Rusia) tema un nucleo de aluminio de 9 mm de diametro y una capa de aislamiento de polietileno de 4 mm;

la longitud de un brazo (desde el borde del tubo de metal hasta el borde de la abrazadera) era de 800 mm;

los electrodos intermedios 4 se configuraron como arandelas con un diametro externo de 9 mm y un grosor de 1 mm; estaban incrustados en una tira hecha de caucho de silicona;

el numero total de electrodos intermedios era igual a 50;

se selecciono una distancia entre los electrodos adyacentes separados por una camara de descarga para ser g = 2 mm (las razones para seleccionar dicha distancia para esta forma de realizacion se han explicado anteriormente);

cada una de las camaras de descarga 5 tema un diametro d = 3 mm y una altura b = 4 mm (por lo tanto, la forma de realizacion del dispositivo de prueba de acuerdo con la invencion correspondfa a la forma de realizacion 1 descrita anteriormente, prevista para la primera variante de aplicacion 1 del pararrayos); el pararrayos mostrado en la FIG. 3 estaba enrollado alrededor de uno de los brazos de la LFAL-10 (que esta alrededor de la pieza de cable descrita anteriormente) con un paso de 30 mm, de modo que el pararrayos cubrio, en una pieza de cable, una longitud de 30 cm, que es aproximadamente una tercera parte de una longitud del brazo de la LFAL-10.

Las pruebas han demostrado que ambos pararrayos (el de LFAL-10 estandar con anillos y el de LFAL-10 equipado con el pararrayos de acuerdo con la invencion) son capaces de proteger al aislante de HEPL de las descargas de relampagos; sin embargo, la LFAL-10 con anillos enfna la corriente del arco de seguimiento en el valor de corriente cero (por lo que existe una pausa de 3-5 ms en el flujo de corriente), mientras que el pararrayos de acuerdo con la invencion apaga la corriente inmediatamente despues de que finalice la sobretension del relampago (que dura solo alrededor de 5 a 30 ps) y el voltaje en el conductor de lmea se reduce a un valor operacional normal. Ello significa que el pararrayos funciona sin introducir ninguna pausa en el flujo de corriente, lo cual es importante cuando se suministra electricidad a dispositivos electronicos (es dedr, ordenadores) sensibles a las interrupciones en el suministro de energfa. Una ventaja importante del pararrayos combinado de acuerdo con la invencion consiste en que sus dimensiones globales son casi tres veces menores que las de la version de la tecnica anterior de la LFAL-10 del pararrayos; ademas, el pararrayos de la invencion puede disenarse para clases de voltaje mas altas.

Por lo tanto, el dispositivo de derivacion de corriente de acuerdo con la invencion tiene una aplicabilidad sustancialmente ampliada y una fiabilidad funcional sustancialmente mejorada. El enfriamiento del canal de descarga aumenta al aumentar el numero de electrodos intermedios. Por otro lado, dicho aumento del numero de electrodos intermedios a la vez que se mantiene la longitud total de los espacios de descarga sin cambios tiene como resultado un aumento de las dimensiones globales y del coste del pararrayos. Por lo tanto, un diseno optimo del pararrayos se determinara en funcion de su aplicacion espedfica, basandose en las pautas presentadas en la descripcion anterior y teniendo en cuenta este parametro basico como el tipo de instalaciones o equipos a proteger, la clase de voltaje, el nivel de proteccion requerido, etc.

Las formas de realizacion y las modificaciones de los pararrayos descritas anteriormente de acuerdo con la invencion y la lmea de energfa electrica configurada para utilizar dichos pararrayos se describieron unicamente para aclarar los principios de su diseno y funcionamiento. Quedara claro para los expertos en la materia que se pueden realizar varias mejoras, modificaciones y cambios en los ejemplos presentados anteriormente, todos los cuales estan dentro del alcance del conjunto de reivindicaciones adjuntas. Por ejemplo, si una descarga entre los electrodos del pararrayos se desarrolla no en la forma de una descarga de emision, sino en otra forma, por ejemplo, como una descarga de avalancha o una descarga de grna, se pueden emplear otras formulas apropiadas para determinar una estimacion del diametro de descarga, probablemente con modificaciones resultantes de los valores preferentes para distancias mmimas entre los electrodos adyacentes.

Claims (24)

REIVINDICACIONES

1. Un pararrayos para proteccion contra relampagos de elementos de instalaciones electricas o de una lmea de ene^a electrica, en que el pararrayos comprende un cuerpo aislante (1) hecho de un dielectrico solido, dos electrodos principales (2, 3) acoplados mecanicamente al cuerpo aislante (1) y dos o mas electrodos intermedios (4) dispuestos entre los electrodos principales (2, 3) y desplazados mutuamente al menos a lo largo del eje longitudinal del cuerpo aislante (1), en que los electrodos intermedios (4) estan configurados para permitir que se produzca una descarga entre cada uno de los electrodos principales (2, 3) y el electrodo intermedio (4) adyacente a cada uno de dichos electrodos principales (2, 3) y entre los electrodos intermedios (4) adyacentes, en que una pluralidad de camaras de descarga (5) estan formadas entre los electrodos intermedios (4) adyacentes, y en que los electrodos intermedios (4) estan ubicados dentro del cuerpo aislante (1) y estan separados de la superficie del mismo por una capa de aislamiento, caracterizados porque la capa aislante tiene un grosor de un valor entre 1 mm y 36 mm, y las camaras de descarga (5) estan abiertas en la superficie del cuerpo aislante (1), y en que un area de seccion transversal S de las camaras de descarga (5) en una zona de la formacion del canal de descarga (6) esta entre el valor multiplicado por 0.1 mm y el valor multiplicado por 20 mm.

2. El pararrayos de acuerdo con la reivindicacion 1, caracterizado porque la distancia minima entre los electrodos adyacentes (4) se selecciona para estar en un intervalo de 1 mm a 5 mm.

3. El pararrayos de acuerdo con la reivindicacion 1, caracterizado porque se selecciona una distancia minima entre los electrodos adyacentes (4) para estar en un intervalo de 5 mm a 20 mm.

4. El pararrayos de acuerdo con la reivindicacion 1, caracterizado porque esta provisto de camaras de descarga (5) adicionales formadas entre cada uno de los electrodos principales (2, 3) y el electrodo intermedio (4) adyacente a cada uno de dichos electrodos principales (2, 3).

5. El pararrayos de acuerdo con la reivindicacion 1, caracterizado porque las camaras de descarga (5) estan configuradas como aberturas rectangulares o circulares formadas en el cuerpo aislante (1).

6. El pararrayos de acuerdo con la reivindicacion 1, caracterizado porque las camaras de descarga (5) estan configuradas como hendiduras formadas en el cuerpo aislante (1).

7. El pararrayos de acuerdo con la reivindicacion 1, caracterizado porque las camaras de descarga (5) estan configuradas como aberturas pasantes formadas en el cuerpo aislante (1).

8. El pararrayos de acuerdo con la reivindicacion 1, caracterizado porque el cuerpo aislante (1) tiene forma de barra, tira o cilindro.

9. El pararrayos de acuerdo con la reivindicacion 1, caracterizado porque el cuerpo aislante (1) tiene un grosor incrementado en zonas donde las camaras de descarga (5) se abren hacia la superficie del cuerpo aislante (1).

10. El pararrayos de acuerdo con la reivindicacion 1, caracterizado porque los electrodos intermedios (4) tienen forma de placas o cilindros.

11. El pararrayos de acuerdo con la reivindicacion 1, caracterizado porque los electrodos intermedios (4) estan hechos de grafito o fibra de carbono.

12. El pararrayos de acuerdo con la reivindicacion 1, caracterizado porque los electrodos intermedios (4) desplazados entre sf estan dispuestos a lo largo de una lmea que coincide con el eje longitudinal del cuerpo aislante (1).

13. El pararrayos de acuerdo con la reivindicacion 1, caracterizado porque los electrodos intermedios (4) desplazados entre sf estan dispuestos a lo largo de una lmea paralela al eje longitudinal del cuerpo aislante (1).

14. El pararrayos de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 13, caracterizado porque se coloca un electrodo adicional (7) dentro del cuerpo aislante (1) o en la superficie del mismo opuesta a la superficie en la que se abren las camaras de descarga (5), el electrodo adicional (7) esta conectado con uno de los electrodos principales (2, 3), en que una longitud del electrodo adicional (7) corresponde, por lo menos, a la mitad de la distancia entre los electrodos principales (2, 3), y en que una resistencia a la interrupcion del aislamiento entre el electrodo adicional (7) y otro electrodo principal (2, 3), no conectado con el adicional (7), excede el voltaje de salto de corriente precalculado entre los electrodos principales (2, 3).

15. El pararrayos de acuerdo con la reivindicacion 14, caracterizado porque el cuerpo aislante (1) incluye un componente hueco, en que el electrodo adicional (7) se coloca dentro del componente hueco.

16. El pararrayos de acuerdo con la reivindicacion 15, caracterizado porque el componente hueco del cuerpo aislante (1) y el electrodo adicional (7) tienen secciones transversales circulares.

17. El pararrayos de acuerdo con la reivindicacion 16, caracterizado porque la lmea a lo largo de la cual estan dispuestos los electrodos intermedios (4) desplazados entre sf es una lmea en espiral.

18. El pararrayos de acuerdo con la reivindicacion 15, caracterizado porque el cuerpo aislante (1) comprende ademas una tira unida a una superficie del componente hueco, en que los electrodos intermedios (4) estan incrustados dentro de dicha tira.

19. El pararrayos de acuerdo con la reivindicacion 18, caracterizado porque la tira esta enrollada helicoidalmente alrededor de una superficie de un componente hueco cilmdrico.

20. El pararrayos de acuerdo con la reivindicacion 19, caracterizado porque el electrodo adicional (7) y el componente hueco del cuerpo aislante (1) estan formados respectivamente como un nucleo y una capa aislante de una pieza de un cable electrico.

21. El pararrayos de acuerdo con la reivindicacion 20, caracterizado porque el componente hueco del cuerpo aislante (1) tiene un perfil en forma de U, en que el electrodo adicional (7) y el componente hueco tienen la misma longitud, en que el primer electrodo principal (2, 3) esta configurado como un tubo metalico que incluye una parte curva del componente hueco, y el segundo electrodo principal (3, 2) esta acoplado mecanicamente a uno o ambos extremos del componente hueco y esta conectado electricamente con el electrodo adicional (7), y en que los electrodos intermedios (4) estan dispuestos en uno o ambos brazos del cuerpo aislante (1).

22. Una lmea de energfa electrica que comprende: soportes provistos de aislantes (12), al menos un conductor bajo tension (9) acoplado a aislantes (12) por medios de sujecion, y al menos un pararrayos para la proteccion contra relampagos de los elementos de la lmea de energfa electrica, caracterizado porque dicho al menos un pararrayos esta configurado como el pararrayos de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 21.

23. La lmea de energfa electrica de acuerdo con la reivindicacion 22, caracterizada porque el primer electrodo principal (2, 3) de dicho al menos un pararrayos esta conectado, directamente o a traves de un espacio de arco de tension (10), a un elemento de la lmea de energfa electrica a proteger, en que el segundo electrodo principal (3, 2) esta conectado electricamente, ya sea directamente o a traves de un espacio de arco de tension, a tierra.

24. La lmea de energfa electrica de acuerdo con la reivindicacion 22, caracterizada porque dicho aislante (12) esta dispuesto sobre el pararrayos, en que el componente hueco del cuerpo aislante (1) y el electrodo adicional (7) del pararrayos tienen secciones transversales circulares, y en que el electrodo adicional (7) esta configurado como una barra del aislante (12), mientras que el cuerpo aislante (1) esta configurado como una tapa aislante adaptada para fijar el aislante en la barra.