ES2265911T3 - Dispositivo pararrayos para instalaciones electricas de alta potencia. - Google Patents

Abstract

Dispositivo pararrayos destinado a proteger una instalación (3) alimentada por una línea eléctrica (1), formado por al menos dos conjuntos conectados en paralelo entre la línea a proteger y la tierra y comprendiendo cada uno un desconector (P, P¿, P1, P¿1) montado en serie con al menos un componente de resistencia variable en función de la tensión, caracterizado porque el componente de resistencia variable es un diodo de tipo Zener, estando al menos uno de los conjuntos constituido por al menos dos diodos de tipo Zener (Z1, Z¿1, Z2) dispuestos en paralelo.

Description

Dispositivo pararrayos para instalaciones eléctricas de alta potencia.

La presente invención se refiere a un dispositivo pararrayos del tipo utilizado principalmente para asegurar la protección de las instalaciones eléctricas de alta potencia.

Es sabido que para asegurar la protección de este tipo de instalaciones contra los rayos se recurre a unos dispositivos pararrayos que se conectan entre un hilo de la red y la tierra, y que comprenden unos componentes que, en funcionamiento normal, se comportan como elementos neutros, pero que, en caso de sobretensiones violentas, se convierten en conductores, aunque derivan hacia la tierra la corriente debida al rayo, protegiendo así la instalación dispuesta aguas abajo contra los efectos destructores de la sobretensión.

Por motivos de seguridad, es obligatorio, en virtud de la norma IEC 61643-1, asociar al pararrayos un desconector cuya función es cortar el circuito en caso de que el pararrayos se destruya. Estos desconectores pueden estar dispuestos esencialmente según dos configuraciones.

En una primera configuración, el desconector está dispuesto, tal y como se representa en la figura 1, sobre la propia línea. En estas condiciones, se entiende que su desconexión acarrea el corte de alimentación eléctrica de las instalaciones que se encuentran aguas abajo.

En la segunda configuración, representada en la figura 2, el desconector está dispuesto sobre la rama de derivación que va a la tierra, aunque su desconexión respeta una continuidad de servicio, ya que la corriente puede continuar circulando en la rama principal, pero ya no asegura una continuidad de la protección, ya que interrumpe la derivación hacia la tierra.

Se entiende que ninguna de estas dos configuraciones es totalmente satisfactoria, ya que, después de la destrucción del pararrayos y de la activación del desconector al que está asociado, el efecto de la primera es que paraliza la instalación y el efecto de la segunda es que la pone en peligro.

Es igualmente sabido que otra cualidad de un pararrayos es su capacidad para hacer circular las sobretensiones sin que se manifieste ningún desgaste. Por eso, parece interesante constituir este tipo de pararrayos a partir de los elementos particularmente resistentes al desgaste, como las uniones de semiconductores de tipo Zener que, por otra parte, poseen otras cualidades con respecto a los otros dispositivos pararrayos del estado anterior de la técnica como, sobre todo, los chispómetros y los varistores.

El documento DE-4124321-A describe un dispositivo de protección contra las sobretensiones que comporta unos componentes de resistencia variable en función de la tensión, como unos varistores, conectados respectivamente en serie con unos desconectores, como unos fusibles, en al menos dos ramas de circuito que se extienden en paralelo entre una línea de alimentación eléctrica que debe protegerse contra las sobretensiones y la tierra.

El objetivo de la presente invención es remediar los inconvenientes antes citados proponiendo unos medios de protección contra los efectos de los rayos que aseguran a la vez, tras un rayo, tanto la continuidad de servicio de la instalación como su protección contra un rayo posterior, con unos componentes de tipo Zener.

Así, el objeto de la presente invención es un dispositivo pararrayos destinado a proteger una instalación alimentada por una línea eléctrica, formada por al menos dos conjuntos conectados en paralelo entre la línea a proteger y la tierra y que comprenden cada uno un desconector montado en serie con al menos un componente de resistencia variable en función de la tensión, caracterizado porque el componente de resistencia variable es un diodo de tipo Zener, estando al menos uno de los conjuntos constituido por dos diodos de tipo Zener, dispuestos en paralelo.

Según la invención, las tensiones de umbral de los diodos de tipo Zener respectivos de dichos conjuntos serán preferentemente cercanos.

En un modo de puesta en práctica de la invención, uno de los conjuntos comprende un diodo de tipo Zener cuya tensión de umbral es superior a la de los diodos Zener de los otros conjuntos.

Preferentemente, la tensión de umbral de dicho conjunto es superior a la tensión de umbral del otro conjunto en un valor sensiblemente igual a la diferencia de tensión entre los valores de baja corriente y de alta corriente del otro conjunto.

Así como se expondrá a continuación, este tipo de diferenciación de dichos diodos permite evitar que, en unos casos de características muy particulares de sobretensiones debidas a los rayos, los dos diodos Zener se conviertan simultáneamente en conductores y no se destruyan, dejando así la instalación desprovista de protección.

También se podrá, con el fin de realizar una selección, dotar a uno de los conjuntos de unos enlaces cortos y al otro conjunto de unos enlaces largos.

En un modo de puesta en práctica preferente de la invención, al menos uno de los conjuntos constituidos por al menos dos diodos Zener en paralelo posee unos enlaces eléctricos entre dichos diodos y la instalación que son unos enlaces más cortos que los de los otros conjuntos.

A continuación se describirá, a modo de ejemplo no limitativo, una forma de ejecución de la presente invención, en referencia al dibujo adjunto, en el que:

La figura 1 es una vista esquemática de un montaje de protección según el estado anterior de la técnica en una configuración que excluye una continuidad de servicio.

La figura 2 es una vista esquemática de un montaje de protección según el estado anterior de la técnica en una configuración que excluye una continuidad de protección.

La figura 3 es un gráfico que representa la característica de un diodo Zener de tipo utilizable según la presente invención, a saber, la variación de la tensión en función de la intensidad de ésta.

La figura 3a es un gráfico esquemático de la característica de un diodo Zener, destinado a evidenciar la diferencia de tensión \DeltaV en el borne de éste, en el caso de bajas corrientes y de altas corrientes.

La figura 4 es una vista esquemática de un ejemplo de montaje de protección contra los rayos según la invención.

La figura 5 es un gráfico que representa la variación de la tensión V en función de la variación de corriente instantánea di/dt respectivamente para dos diodos Zener en paralelo de tensiones de umbral cercanas, para un solo diodo Zener de la misma tensión de umbral y para un diodo Zener de tensión de umbral ligeramente superior.

Las figuras 6 y 7 son unas vistas esquemáticas de dos ejemplos de puesta en práctica de un montaje de protección contra el rayo según la invención.

En la figura 1 se ha representado una línea 1 de alimentación eléctrica de una instalación 3 que se desea proteger contra los efectos destructores de los rayos. Para ello se ha dispuesto, según el estado anterior de la técnica entre la línea 1 y la tierra 5, un pararrayos 7, es decir, un dispositivo que, en funcionamiento normal, se comporta como un elemento neutro, es decir, que no conduce la corriente, pero que, en el caso de una sobretensión violenta, se convierte en conductor. En una primera configuración de protección representada en la figura 1, se dispone en la línea 1, aguas arriba del pararrayos 7, un dispositivo desconector 9, es decir, un dispositivo cuyo efecto es que abre el circuito cuando es atravesado por una corriente importante. En este modo de puesta en práctica, cuando interviene una sobretensión demasiado violenta debida a un rayo que hace que se funda el pararrayos, éste se cortocircuita y deriva la corriente hacia la tierra 5, protegiendo así la instalación 3. Cuando esto ocurre, el desconector 9 se abre, privando así de toda alimentación eléctrica a la instalación 3.

En la segunda configuración según el estado anterior de la técnica, representada en la figura 2, el desconector 9 está situado en la rama de derivación que hay aguas arriba del pararrayos 7. En estas condiciones, cuando sobreviene una fuerte sobretensión provocada por un rayo, el pararrayos 7 pasa al estado de cortocircuito, derivando así la sobretensión hacia la tierra 5, ya que el desconector 9 abre el circuito. En estas condiciones, si la instalación 3 se sigue alimentando de corriente después del efecto del rayo, hay que subrayar que ya no está protegida contra un efecto posterior, en la medida en que el desconector 9 ha abierto la rama de derivación.

El principio básico del dispositivo pararrayos según la presente invención consiste en explotar una observación realizada por el solicitante según la que, en dinámica, la tensión residual de un diodo Zener varía en gran medida en función de la variación de la corriente di/dt.

En efecto, si se asocian en paralelo, con ayuda de conexiones cortas, dos diodos Zener cuya tensión de umbral sea muy similar, y se representa en un diagrama la variación de la tensión en sus bornes en función de la variación instantánea de la intensidad di/dt (curva a), se constata que el aspecto de las curvas es la representada en la figura 5. Se ha hecho lo mismo con uno solo de los dos diodos Zener, por ejemplo el diodo Z1, y se han representado los valores correspondientes en la misma figura 5 (curva b).

Se constata en estas figuras que la curva característica de los dos Zener montados en paralelo se sitúa debajo de la curva correspondiente relativa a un solo diodo Zener.

Por otra parte, se ha representado en la misma figura una tercera curva (curva c), relativa a un tercer diodo Zener, cuya tensión de umbral es ligeramente superior a la tensión de umbral de los dos diodos Zener anteriores, preferentemente en un valor \Deltav igual a la diferencia de tensión existente entre el valor Va de baja corriente y el valor Vb de alta corriente de este diodo Zener (Figura 3a).

Las curvas obtenidas muestran que la asociación de los dos diodos Zener facilita el aislamiento de un grupo de Zener, y la selección o diferenciación en el momento de una sobretensión importante de este grupo en particular.

Es sabido que la puesta en paralelo de uniones de semiconductores de tipo Zener plantea problemas en razón del aspecto de la curva característica de la función Tensión/Corriente f(U/I), de la que se ha reproducido un ejemplo en la figura 3.

En efecto, aunque la tensión sea la misma en los bornes de los dos diodos Zener dispuestos en paralelo, se constata, en razón de la poca pendiente de la curva f(U/I), que las corrientes que los atraviesan pueden, no obstante, ser diferentes. Así, en la curva representada en la figura 3, se constata que, para una misma tensión V_{1}, las corrientes respectivas que atraviesan unos diodos Zener D_{1} y D_{2} cuyas tensiones de umbral son cercanas, son atravesadas por unas corrientes respectivas I_{1} e I_{2} de intensidades muy diferentes. En estas condiciones, se entiende que será necesario emparejarlos mediante una clasificación rigurosa a partir de sus tensones de umbral, si se desea que repartan equitativamente la corriente de descarga.

Según la invención, tal y como se representa en la figura 4, se ha realizado un módulo formado por dos conjuntos E, E' constituidos por diodos Zener, respectivamente Z_{1} y Z_{2} para el conjunto E y Z' para el conjunto E', que se han escogido por clasificación de forma que sus tensiones de umbral sean cercanas, con los que se han puesto en serie dos desconectores respectivos P, P', de forma que las dos entradas de dichos desconectores P, P' sean unidas por una conexión eléctrica corta que se une en la línea 1, al igual que sus salidas respectivas se unen también, mediante una
conexión eléctrica corta, unida a su vez a la tierra 5.

En estas condiciones, se entiende que, cuando sobreviene una tensión importante debida a un rayo, el grupo de dos diodos Zener Z_{1}, Z_{2} comienza a conducir primero, aunque al final de la vida (fusión que provoca una conductividad) de uno de los dos, éste cortocircuita a todos los demás y soporta él solo la totalidad de la intensidad de la corriente resultante de esta fuerte sobretensión. Durante el paso de esta fuerte intensidad, el desconector asociado al diodo Zener que se ha convertido en conductor se desconecta, interrumpiendo así el paso por el mismo.

Se entiende, en estas condiciones, que el servicio proporcionado por la línea 1 no ha sido interrumpido por la fuerte sobretensión que atraviesa el pararrayos y que uno de los dos, a saber, el que no ha pasado al estado definitivo de conducción, permanece operativo.

En este tipo de montaje, no es posible saber que se ha producido la desconexión. Para saberlo, por supuesto, se pueden incorporar al desconector que ha pasado del estado conductor al estado no conductor unos medios anexos 12 que permitan señalar que el pararrayos al que está asociado debe reemplazarse.

Así, se puede asociar a cada conjunto E, E' un diodo "led" que se ilumine en el momento de la desconexión del dispositivo desconector 9.

No obstante, se ha constatado que, en razón de la naturaleza particularmente compleja de las sobretensiones debidas a los rayos, puede ocurrir que dos pararrayos en paralelo conduzcan simultáneamente y que, en consecuencia, se destruyan simultáneamente, dejando en ese caso la instalación sin protección, señalando los medios anexos 12 la desconexión.

Según la invención, se propondrán pues unos medios que permitan diferenciar los dos conjuntos, de forma que, con seguridad, uno reaccione antes del otro.

Un primer medio consistirá pues en diferenciar las tensiones de umbral respectivas de los conjuntos E y E'. Preferentemente, la tensión de umbral del conjunto E' será superior a la tensión de umbral del otro conjunto E en un valor \DeltaV igual a la diferencia de tensión existente entre el valor V_{a} de baja corriente y el valor V_{b} de alta corriente del otro conjunto (Figura 3a). Esta elección permite conservar un buen nivel de protección en la segunda etapa (a saber, aquélla cuyo umbral sea superior).

Un segundo medio para asegurar la diferenciación de los diodos Zener consistirá en jugar con los tiempos de reacción de éstos actuando sobre la longitud de los enlaces de dichos diodos Zener con la instalación.

Tal y como se representa en la figura 7, un primer conjunto constituido por un diodo Zener Z_{1} y por un desconector P_{1} está unido a la instalación mediante un enlace corto, mientras que un segundo conjunto constituido por un diodo Zener Z'_{1} y por un desconector P'_{1} está unido a la instalación mediante un enlace
largo.

En este tipo de configuración, se ha constatado que el conjunto que se había "activado" en primer lugar por una fuerte sobretensión debida al rayo era siempre el del enlace corto. Se dispone así de un medio suplementario para asegurar la diferenciación de la activación de los dos conjuntos.

Por supuesto, se puede, según la invención, tal y como se representa en la figura 6, constituir dos conjuntos E y E', uno de los cuales comprenderá un número n de diodos Zener, Z_{1}, Z_{2}... Z_{n}.

El presente modo de puesta en práctica de la invención es interesante porque permite determinar aquél de los dos conjuntos de pararrayos que, con seguridad, se activará en el momento de una sobretensión provocada por un rayo.

Aunque la presente invención sea utilizable y presente numerosas aplicaciones en el ámbito de la corriente continua, también puede utilizarse en el ámbito de la corriente alterna. En este último caso, es evidente que, en lugar de un solo diodo Zener, se recurrirá a dos diodos Zener montados en paralelo ánodo con cátodo. En el presente texto, un diodo Zener se referirá pues también a dos diodos Zener montados en paralelo ánodo con cátodo cuando se trate de circuitos que utilicen corriente alterna.

Claims (5)

1. Dispositivo pararrayos destinado a proteger una instalación (3) alimentada por una línea eléctrica (1), formado por al menos dos conjuntos conectados en paralelo entre la línea a proteger y la tierra y comprendiendo cada uno un desconector (P, P', P_{1}, P'_{1}) montado en serie con al menos un componente de resistencia variable en función de la tensión, caracterizado porque el componente de resistencia variable es un diodo de tipo Zener, estando al menos uno de los conjuntos constituido por al menos dos diodos de tipo Zener (Z_{1}, Z'_{1}, Z_{2}) dispuestos en paralelo.

2. Dispositivo pararrayos según la reivindicación 1, caracterizado porque las tensiones de umbral de los diodos de tipo Zener (Z_{1}, Z'_{1}) respectivas de dichos conjuntos son cercanas.

3. Dispositivo pararrayos según una de las reivindicaciones 1 ó 2, caracterizado porque uno de los conjuntos comprende un diodo de tipo Zener cuya tensión de umbral es superior a la de los diodos Zener de los otros conjuntos.

4. Dispositivo pararrayos según la reivindicación 3, caracterizado porque la tensión de umbral de dicho conjunto es superior a la tensión de umbral del otro conjunto en un valor (\DeltaV) igual a sensiblemente la diferencia de tensión entre los valores de baja corriente (V_{a}) y de alta corriente (V_{b}) del otro conjunto.

5. Dispositivo pararrayos según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque al menos uno de los conjuntos constituidos por al menos dos diodos Zener en paralelo posee unos enlaces eléctricos entre dichos diodos y la instalación que son enlaces cortos.