El misterio de las centellas (1454)
arXiv:physics/0304072 v1 19 Apr 2003
Conmutación de impulsos de rayo por descarga radial-ranurada erosiva multiarco
Emelin S.E.
Instituto de Investigación Científica de Radiofísica de la Universidad Estatal de San Petersburgo
Sergei.Emelin@pobox.spbu.ru
Resumen.
Se consideró el modo no estacionario de la descarga erosiva radial-ranurada. Se ha encontrado la condición de existencia del régimen multiarco relativamente estable. Experimentalmente se ha demostrado que esta descarga ha correspondido a la condición requerida a la corriente suficientemente grande. Se presentan los oscilogramas de conmutación del impulso del rayo en la instalación de pruebas de simulación con el equivalente de una línea de transmisión de alta tensión. Los resultados obtenidos indican la capacidad de la descarga erosiva, cuando se utiliza en el marco de la instalación compleja de protección contra rayos, para la rápida conmutación de los impulsos de rayo al nivel de la corriente nominal.
1. Introducción. Uno de los aspectos más importantes del efecto del rayo sobre los objetos técnicos está relacionado con la capacidad de perturbación de sus condiciones de funcionamiento o destrucción del equipo de alta tensión [1]. A pesar de los considerables éxitos de la protección contra rayos, el hardware moderno no garantiza que las partes portadoras de corriente de las líneas de transmisión no sean derrotadas por las descargas atmosféricas y, si ese es el caso, cualquier disminución de la probabilidad de efectos nocivos depende en gran medida de la capacidad de un aparato de protección para contrarrestar las sobretensiones creadas por una gran corriente de impulsos de rayos [2].
La corriente nominal de la mayoría de los supresores de sobretensión modernos es de 5-10 kA con una duración de 30-50ms, que es muchas veces inferior a la corriente más probable de un primer impulso de rayo (30kA) [1-3]. En las condiciones de un rayo real, la tensión restante es mucho mayor que la tensión de trabajo, lo que provoca una gran caída de tensión y un aumento de la energía acumulada en la inductancia de la línea y absorbida por el aparato de protección [3]. Su razón está relacionada con las dificultades de prever la mayor no linealidad de la característica tensión-corriente de las resistencias y varistores no lineales.
2. Protección contra rayos y descargas eléctricas. A pesar de la aparente simplicidad en el diseño y la capacidad de obtener un pequeño valor de tensión restante bajo una gran corriente, la correcta aplicación de una descarga eléctrica como única base de cualquier dispositivo de protección se conjuga con la dificultad clave para cortar la propia corriente directamente después de la disminución de una corriente de rayo y la eliminación de la energía acumulada en la inductancia de línea dentro de esta fase. Este problema se resuelve sólo parcialmente con los descargadores de chispas, los tubos de vía de chispas y los descargadores de larga duración [4]. Crean una conexión eléctrica durante bastante tiempo para desconectar una corriente de potencia en su paso por el nivel cero o se nivelan directamente en una desconexión de emergencia. La razón física de la baja capacidad de desconexión de las brechas de descarga a un nivel de alta potencia es la escasa tasa de caída de la energía de descarga para el mantenimiento de una alta intensidad de campo eléctrico del arco.
3. Capacidad de descarga erosiva. En el artículo [5] se describe la descarga erosiva radial-ranurada que tiene la capacidad de desconexión aumentada y el tiempo pequeño de su actuación, superando la duración típica de un impulso de rayo. Debido a la combinación de la configuración circular de la corriente y a la pequeña altitud de la ranura con las paredes de dieléctrico fácilmente evaporable, se alcanza el modo específico de la erosión de la sustancia de trabajo, que resulta en el aumento de la intensidad del campo eléctrico de un arco no estacionario a potencias de decenas de megavatios y más. Con un diámetro exterior de la ranura de 14 cm, una altura de la ranura de 0.6 mm y una distancia entre los electrodos en la superficie del polímero de 35 mm, el descargador desconecta la corriente con una carga de 10 W y una tensión de 15 kV durante un periodo inferior a 0.5 ms. El corte de la corriente de la carga inductiva se acompaña de la caída final de la tensión de un valor considerable. El descargador es capaz de pasar muchos impulsos de rayo de duración 50ms con amplitud 5-10kA. El aumento de la altitud de la ranura y la disminución de la distancia entre los extremos de los electrodos permiten aumentar la amplitud máxima de un impulso de rayo pasado, pero provocan la caída de la tensión máxima de desconexión.
4. Situación problemática. Para la adaptación de la descarga radial ranurada a las líneas de alta tensión y a la mayoría de los impulsos de rayo reales (50-100kA) se llevó a cabo la investigación de la posibilidad de creación de un régimen multiarco suficientemente estable alcanzable mediante una conexión en paralelo de varios descargadores. La solución de este problema para un arco estacionario abierto en gas se encuentra con las limitaciones clave impuestas por su característica de caída de tensión-corriente [6]. Por lo tanto, el régimen multiarco sólo es posible en presencia de elementos de lastre en los brazos de un circuito. En las descargas con suministro continuo de gas es posible la división estacionaria de una parte de una columna de arco dentro del intervalo ascendente de su característica tensión-corriente [7]. Nuestro caso difiere por la presencia de arcos individuales con acoplamiento magnético, acoplamiento conductivo entre electrodos y también por un modo no estacionario. El corte de la corriente de un arco o de varios arcos es, por regla general, no reversible.
Siendo transitoria, la descarga no estacionaria no tiene una característica definida de tensión-corriente. Debido a que la tensión y el momento de desconexión de la corriente dependen de su prehistoria es posible hablar sólo de la estabilidad relativa en cierto rango de parámetros, fuera del cual incluso una gran no uniformidad de la distribución de la corriente no es esencial para el resultado general del transitorio, por ejemplo, al final del impulso, cuando la magnitud de la corriente es suficientemente pequeña.
5. La aproximación elegida. La respuesta aproximada a la pregunta sobre la estabilidad del régimen multiarco se determina comparando los diagramas de tensión-corriente de una ranura con diferentes amplitudes del impulso sin tener en cuenta el acoplamiento de los arcos individuales, en particular, del magnético. La respuesta precisa se determina sólo en el experimento.
Fig. 1. Conmutación del impulso de rayo de duración 50ms sin el equivalente de línea
En la fig. 1 se presentan cuatro oscilogramas de la corriente de un impulso de rayo de 50ms de duración con amplitud de 1kA, 2.2kA, 3.4kA, 4.8kA y de la caída de tensión entre los electrodos del descargador de una sola ranura. Muestran que, a pesar del cambio de la resistencia de descarga durante el impulso, la magnitud de la tensión está directamente relacionada con la magnitud de la corriente en cada momento después de la finalización de la ruptura, excepto en la parte final del impulso. El valor de la resistencia en el máximo de la corriente cambia de ~1.5W a ~ 0.5W. Significa, que la distribución uniforme de la avería en varias ranuras debe llevar a la distribución uniforme de una corriente de rayo bajo la condición de igualdad de los parámetros de las ranuras. Con corrientes pequeñas se observa el efecto contrario: con una resistencia de carga de 0.5kW la descarga no se dispara con una tensión de 5kV e inferior.
6. Comprobación experimental del régimen multiarco. Se han fabricado dos descargadores con tres y con once ranuras situadas con periodos de ranuras de 35 mm y 11 mm respectivamente que corresponden a una fuerte interacción magnética de los arcos. El diámetro exterior es de 14 cm y la distancia entre los extremos de los electrodos es de 35 mm. Para eliminar por completo la falta de uniformidad de la distribución de la ruptura se incluyó la inductancia en cada brazo, y la inductancia total de cada descargador fue de ~3mH.
El descargador se conectaba a un equivalente de una línea de transmisión con un formador de impulsos de rayo mediante un entrehierro adicional. El equivalente de línea de alta tensión consistía en el condensador Cline = 250 mF, cargado hasta 15kV, y el acelerador Lline = 800 mH. Para la modelización del impulso del rayo se utilizó la descarga del condensador Cpulse = 25 mF hasta 20 kV a través de un interruptor de corriente con o sin una resistencia potente no inductiva de 1.1 W. En este último caso, la amplitud máxima de un impulso de rayo de 50 ms de duración fue de 30 kA. Al entrar en funcionamiento, el disyuntor desconectaba el descargador del equivalente de rayo cercano al nivel cero de tensión en el condensador Cpulse para eliminar su influencia en el proceso de absorción por el descargador de la energía acumulada en la inductancia del equivalente de línea. El disyuntor es necesario para la simulación correcta de la conmutación del rayo por la instalación de prueba, ya que el descargador es interruptor de una corriente.
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Fig. 2.Conmutación del impulso de rayo de duración 50ms en el modo multiarco con el equivalente de línea. a – Lline = 0.8 mH, Rline = 0; b – Lline = 0, Rline = 3 W;
En las figuras 2a y 2b se presenta el proceso de conmutación por el descargador de 11 ranuras del impulso de rayo de amplitud 18.5 kA bajo tensión de la línea Uline = 10 kV; en el caso de la fig. 2b la inductancia Lline se intercambia con la resistencia de alambre Rline = 3 W bajo Uline = 7 kV. Son una afirmación experimental de la capacidad de funcionamiento del régimen multiarco en cualquier instalación de protección contra el rayo.
7. Algunas características del régimen multiarco. La comparación de las figuras 2a y 2b muestra también que el aumento de la tensión, causado por las corrientes adicionales de la inductancia de línea, no contiene la gran salpicadura final única, que, en consecuencia, es un rasgo característico del descargador de ranura única.
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Fig. 3. Autoapagado del arco. a – 1 ranura R = 11 W, L = 60 mH, U = 9 kV; b – 1 ranura R = 30 W, L = 0.8 mH, U = 7kV; c – 3 ranuras R = 30/3 W, L = 0.8 mH, U = 9 kV;
Para la explicación de este efecto se presenta el proceso de autoextinción del arco en el descargador de 1 ranura con carga R = 10 W, L = 60 mH bajo U = 9 kV (fig. 3?), con carga R = 30 W L = 0.8 mH bajo U = 7 kV (fig. 3b) y en el descargador de 3 ranuras con carga 30 W secuencialmente con cada ranura y L = 0.8 mH en un brazo común bajo U = 9 kV. Comparando los oscilogramas, se puede ver la razón por la cual el descargador multislotted crea considerablemente el chapoteo más pequeño del voltaje en presencia de la carga inductiva, que el single-slotted: es el corolario inmediato de la interacción magnética entre los arcos y de una abrupción no simultánea de las corrientes en slots.
8. Energía de la conmutación. Con respecto a la energía absorbida por los aparatos de protección directamente durante un impulso de rayo y la energía acumulada en una inductancia, el descargador tiene una ventaja aparente en relación con el supresor no lineal. La tensión restante en el supresor no lineal de la clase 10 kV a corrientes tan grandes es de unos 40 kV ( energía absorbida ~30 kJ), y la del descargador es 15 veces menor (energía absorbida ~2kJ). Teniendo en cuenta que durante un impulso de rayo el descargador crea un modo cercano a un cortocircuito, se puede estimar la energía acumulada en Lline = 800 mH bajo Uline = 10 kV: Wline = 0.625 J. En el caso de polaridad opuesta de un rayo y una tensión de línea, la caída de tensión en la inductancia Lline será de unos ~50 kV, y Wline = 15.6 kJ. La energía total es de ~2.6 kJ para el descargador y ~46 kJ para el supresor no lineal, mientras que la carga admisible de éste es de ~ 2 kJ/kV, es decir, 20 kJ.
9. Conclusiones. Los resultados representados demuestran que la descarga eléctrica es capaz de proporcionar una supresión profunda de la sobretensión en la gran sobrecarga en el nivel de una corriente nominal, el ahorro de capacidad a la inmediata desconexión de la corriente de conexión a tierra. El bajo valor de la tensión restante debería promover una disminución de la probabilidad de cortocircuito estable en el flashover interfásico. Consideramos que estas propiedades de la descarga eléctrica crean una nueva capacidad esencial en el marco de las instalaciones complejas de protección contra rayos [9].
Referencias
1. Bazelyan E.M., Raizer Yu. P. Physics of lightning and lightning protection. -Moscow: Fizmatlit, 2001-320p.
2. N.N.Tihodeev- ed. The handbook on protection of networks 6-1150 kV against lightning and internal overvoltages. -St. Petersburg: Research Institute of DC Mintopenergo RF, 1999-353p.
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4. Podporkin G.V. Lightning protection of air lines 10 kV with long-flashover arresters by antenna type. Proc. «Overvoltage and maintainability of electric equipment», -St. Petersburg, 31.03-5.04. 2003. P.143-158
5. Emelin S.E. at all. Erosive radial-slotted discharge. Pis’ma v JTF.1999. 25. (12). P. 58-61
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9. Marcuello S.R., Halilov F.H., Manaf-zade A.Z. Whether lightning protection of substations 6-35 kV and electrical machines needs improvement? Proc. «Overvoltage and maintainability of electric equipment», St. Petersburg, 31.03-5.04. 2003. P. 97-103