PT860013E

PT860013E - Descarregador de sobretensoes

Info

Publication number: PT860013E
Application number: PT96937421T
Authority: PT
Inventors: Norbert Mikli; Steffen Bohrisch
Original assignee: Raychem Gmbh
Priority date: 1995-11-08
Filing date: 1996-11-07
Publication date: 2000-10-31
Also published as: JP2000500281A; NO982088L; ES2148809T3; RU2155402C2; MX9803567A; HRP960518A2; NO982088D0; ATE194723T1; GB9522875D0; CN1201551A; BR9611368A; EP0860013A1; AU7501896A; WO1997017708A1; DE69609344D1; US5991141A; CN1134794C; EP0860013B1

Description

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DESCRIÇÃO "DESCARREGADOR DE SOBRETENSÕES" A presente invenção refere-se a descarregadores de sobretensões e em particular a circuitos que compreendem descarregadores de sobretensões dotados de modo a proporcionar uma sinalização no caso de avaria.

Os descarregadores de sobretensões, às vezes designados diversores de sobretensões, são dispositivos dotados de modo a proteger outro equipamento eléctrico, geralmente na distribuição e fornecimento de energia eléctrica, contra uma tensão eléctrica excessivamente alta, e deste modo geralmente destruidora, provocada por exemplo por um raio. 0 descarregador de sobretensões encontra-se ligado electricamente entre o equipamento a uma tensão elevada, digamos 5kV ou mais elevada, e o potencial de terra, encontrando-se electricamente isolado em caso de ausência de sobretensões, quer dizer de tensões superiores aquela que pode ser suportada pelo equipamento associado. No caso de ocorrer uma sobretensão, o descarregador de sobretensões torna-se condutor de modo a que, com segurança, a corrente consequente seja desviada para a terra. 0 descarregador de sobretensões retorna depois à sua condição isolante.

Nalguns casos contudo, pode cair um raio tão próximo de um descarregador de sobretensões, sendo a energia eléctrica que flui através do descarregador tão intensa, que o danifica, destruindo-o em alguns casos totalmente. Em casos menos extremos, o estrago pode resultar na formação de um troço continuo para a corrente em direcção à terra. Um descarregador de sobretensões pode também ser sujeito a outras avarias. As avarias podem surgir nas redes de distribuição eléctrica, nas quais uma corrente de defeito 1 VΓ u

relativamente baixa, digamos de 10 amperes, flui por um período relativamente curto entre o ponto de alta tensão e a terra através do descarregador de sobretensões. Isto pode ocorrer em particular em redes empregando condutores neutrais isolados, condutores neutrais com ligação de baixa resitência à terra, e aquelas com condutores neutrais com uma só ligação à terra, associados a uma resistência de terra muito elevada num local remoto. Em tais casos, o descarregador de sobretensões pode falhar internamente mas sem evidencia externa de avaria, de modo que é difícil ao técnico da manutenção efectuar a identificação visual do descarregador de sobretensões com avaria.

Os seccionadores são algumas vezes empregues para isolar um descarregador de sobretensões com avaria, da tensão aplicada ao mesmo ou da terra. O seccionador encontra-se dotado de modo a que, ao detectar uma avaria predeterminada, geralmente um fluxo de uma corrente mínima por um tempo mínimo, separa fisicamente o descarregador de sobretensões, interrompendo deste modo o troço para a terra. Inicialmente é estirado um arco, mas é extinguido conforme o seccionador se afasta. Contudo, a não ser que a inspecção visual de todos os descarregadores de sobretensões na rede seja para ser efectuada após cada avaria temporária da fase para a terra, a rede irá continuar a funcionar com um descarregador avariado e desligado, e deste modo num nível de segurança reduzido. Isto pode ter lugar porque avarias de terra, por exemplo de uma linha aérea de energia, são razoavelmente comuns. A avaria de terra, quer dizer o funcionamento do seccionador, é detectado na sala de controlo do sistema, sendo a fonte de alimentação desligada por um interruptor de carga, sendo a alimentação ligada novamente após um curto período. Se a avaria fosse temporária, o sistema iria então continuar a ser alimentado. A avaria de terra pode ter surgido em qualquer parte do sistema, não necessariamente associado com um descarregador de sobretensões. Deste modo, o facto de a avaria ter sido eliminada faz com que não seja necessário 2 V Γ u

enviar um guarda-fios para verificar as condições de todos os descarregadores de sobretensões. A WO-A-93/01641 (Joslyn Corporation) descreve um descarregador de sobretensões de alta tensão, com um dispositivo de sinalização de avaria de descarregador de sobretensões. Nesta realização, se o descarregador avariar, o seccionador desengrena e proporciona uma indicação visível de que o descarregador tem uma avaria, sendo ao mesmo tempo a ligação para o descarregador de sobretensões restabelecida por um condutor adicional, mantendo deste modo um troço condutor entre o descarregador de sobretensões e o potencial de terra. Durante a separação explosiva do seccionador do descarregador, o seccionador permanece fixado à realização somente por um condutor flexível, não fazendo parte do circuito de religação. 0 condutor adicional, o qual estabelece a religação ao descarregador de sobretensões, é formado por um elemento elástico que é liberto da tensão pelo seccionador que se afasta e o qual estabelece de novo a religação para o descarregador de sobretensões por meio da sua elasticidade. Em algumas circunstâncias, tal como o fluxo de uma corrente elevada que pode gerar forças mecânicas altamente repulsivas, tal força elástica pode não ser suficiente para manter uma boa ligação eléctrica. A US-A-5191503 (Sumitomo Electric Industries) descreve um protector descarregador de raios compreendendo um elemento limitador de corrente num invólucro condutor resistente á pressão, que se encontra acoplado a um eléctrodo superior. Na ocorrência de um arco dentro do invólucro devido a um curto-circuito ou semelhante, a energia provocada pelo arco faz com que um elemento do eléctrodo inferior quebre um isolante dentro do invólucro, na proximidade de um troço de abertura do invólucro, de modo a ligar electricamente o invólucro ao elemento eléctrodo inferior e induzir um sinalizador fora do invólucro. 3

U, 0 objectivo da presente invenção é o de proporcionar um circuito descarregador de sobretensões que ultrapasse ou pelo menos atenue de um modo particularmente conveniente estas desvantagens de realizações conhecidas.

Deste modo, de acordo com o objectivo da presente invenção, é proporcionado um circuito descarregador de sobretensões compreendendo: (a) um descarregador de sobretensões com (i) um primeiro terminai para ligação, em utilização, a um segundo terminal remoto num primeiro potencial eléctrico, e (ii) um terceiro terminal para ligação, em utilização, a um quarto terminal remoto num segundo potencial eléctrico, o qual é diferente do referido primeiro potencial, em que, em utilização, o primeiro terminal se encontra num local verticalmente mais baixo que o referido terceiro terminal; (b) meios de ligação dotados para que em funcionamento liguem electricamente o primeiro terminal do descarregador de sobretensões ao referido segundo terminal, estando o referido meio de ligação dotado para estar fisicamente desligado do primeiro terminal em resposta a uma condição predeterminada de avaria do descarregador de sobretensões; e (c) meios de religação dotados para proporcionar, na sequência do referido corte, um troço condutor eléctrico sólido do referido primeiro terminal do descarregador de sobretensões para o referido segundo terminal; caracterizado por 4 Γ u (d) os meios de religação se encontrarem dotados de modo a guiar os meios de ligação no corte, afastando-os do descarregador de sobretensões e de modo a suportar os meios de ligação num local que é verticalmente mais baixo do que o referido primeiro terminal, assim como para religar electricamente os meios de ligação ao primeiro terminal. A condição predeterminada de avaria pode ser caracterizada por exemplo, pelo fluxo de corrente em excesso de 15 amperes por um tempo em excesso de 0.5 segundos.

De preferência, os meios de ligação compreendem um elemento condutor alongado isolado que se encontra em contacto eléctrico directo com o primeiro terminal do descarregador de sobretensões até que tenha lugar o corte, e o qual, posteriormente ao mesmo, efectua o contacto eléctrico com os referidos meios de religação.

Vantajosamente, durante o corte, os meios de ligação são guiados através de um quinto terminal que faz parte da estrutura de suporte dos meios de religação, e que se encontra electricamente ligado ao primeiro terminal do descarregador de sobretensões, de modo que, quando os meios de ligação são suportados pelos meios de religação, o elemento condutor sobre os mesmos encontra-se em contacto eléctrico com o quinto terminal.

De preferência, pelo menos este troço dos meios de ligação que se estende através do quinto terminal antes do corte, é rígido.

De preferência, o meio de ligação possui uma superfície circunferente externa cónica e posteriormente ao corte, é suportado numa abertura cónica do meio de religação, sendo os respectivos ângulos do cone diferentes um do outro. Numa 5 Γ realização deste género, ao contrário de uma na qual os ângulos do cone são substancialmente os mesmos, quando a avaria tiver sido reparada, o meio de ligação pode ser facilmente removido do elemento de suporte do meio de religação.

Geralmente, o primeiro terminal, inferior, do descarregador de sobretensões estará substancialmente com potencial de terra, o segundo terminal será um ponto de terra, enquanto que o terceiro terminal, superior, estará com a alta tensão (digamos 1 KV ou acima) do quarto terminal, o qual pode fazer parte de um equipamento eléctrico, por exemplo sendo um condutor aéreo de distribuição de energia. Por conseguinte, a seguir, convenientemente e de um modo não limitativo, será feita referencia à ligação em relação ao potencial de terra. 0 circuito da presente invenção proporciona deste modo uma função de corte no caso de avaria do descarregador. A separação dos meios de ligação da terra do terminal de terra do descarregador conduz depois à formação de um arco. 0 proporcionamento posterior de um troço condutor solido, quer dizer não gasoso, permanente para a terra do terminal, provoca a extinção do arco, fazendo com que a corrente de defeito flua para a terra ao longo desse troço. É particularmente vantajoso que o meio de ligação da terra em si não somente responda ao defeito ficando desligado fisicamente do terminal do descarregador de sobretensões mas depois posteriormente faça parte do troço sólido para a terra. 0 facto de a corrente de defeito ser mantida mesmo que o arco produzido por interrupção do meio de ligação de terra tenha sido extinguido, irá evitar que o interruptor de circuito comute de modo permanente de volta para a fonte de alimentação do equipamento. Deste modo, tem então que ser enviado um guarda-fios para identificar e substituir o descarregador com avaria antes que possa ser restabelecida a energia, assegurando a segurança do sistema eléctrico. 6 V f u

De preferência, o meio de ligação à terra é móvel, em resposta à referida condição de avaria, entre uma primeira posição ao qual se encontra fisicamente fixado ao descarregador de sobretensões e uma segunda posição na qual se encontra suportado num elemento espaçado afastado do referido terminal descarregador de sobretensões. Geralmente, quando é empregue um seccionador convencional, após o seu funcionamento fica livremente pendurado do descarregador de sobretensões para baixo, conforme descrito na WO-A-93/01641. Fazendo com que o corte tenha lugar do terminal inferior do descarregador de sobretensões, a força da gravidade irá assegurar a eficácia do movimento de separação. Além disso, ao guiar o meio de ligação para um elemento de suporte especifico conforme é cortado, pode ser assegurado que o arco estirado entre o primeiro terminal descarregador de sobretensões e o seccionador recuado seja apropriadamente extinguido. 0 suporte positivo posterior e retenção do seccionador melhora a integridade do troço condutor sólido restabelecido e diminui o perigo de acidentalmente movimentar livremente o seccionador, restabelecendo um arco para o terminal descarregador de sobretensões.

Deverá ser entendido que o primeiro terminal do descarregador de sobretensões se encontra localizado verticalmente mais baixo do que o terceiro terminal, não tendo que estar na vertical directamente debaixo do mesmo. Isto quer dizer que a orientação do descarregador de sobretensões não tem que ser substancialmente vertical, embora isto possa ser a sua orientação convencional, mas pode estar inclinada, para a vertical, com a separação sendo proporcionada para ter lugar da parte de baixo dos seus dois terminais. No caso de o descarregador se encontrar montado substancialmente na horizontal, o corte pode ter lugar de qualquer dos seus terminais e nenhum deles pode depois ser visto como estando num local que se encontre verticalmente inferior ao outro. 7 Γ Ο elemento de suporte encontra-se de modo vantajoso, electricamente ligado ao terminal do descarregador, de modo a proporcionar o troço condutor sólido.

De preferência, pelo menos um troço do meio de ligação de terra é rigido e encontra-se guiado pelo elemento de suporte no seu movimento entre as referidas duas posições.

Vantajosamente, o troço rigido do meio de ligação de terra compreende um elemento alongado condutor isolado, que se estende através de uma abertura no elemento de suporte. 0 descarregador de sobretensões por si mesmo pode ser qualquer construção apropriada. Por exemplo, os elementos descarregadores de sobretensões podem compreender vários blocos de varistores, compreendendo por exemplo material de oxido de zinco. Os elementos descarregadores de sobretensões encontram-se contidos dentro de um invólucro isolante externo, o qual é de preferência constituído de material polimérico, o qual pode ser encolhido a quente no local. 0 invólucro pode estar dotado com uma ou mais abas de modo a melhorar o comprimento do troço de vazamento da terra entre os terminais do descarregador e resguardar da poluição líquida do mesmo.

Os circuitos descarregadores de sobretensões de acordo com a presente invenção, serão agora descritos com exemplos, tomando como referência os desenhos anexos. As figuras representam:

Figura 1 corte vertical de um circuito na sua configuração passiva normal;

Figura 2 circuito da figura 1 logo após ter ocorrido uma avaria;

Figura 3 circuito da figura 1 na sua configuração final pós-avaria; 8

Figura 4Α e 4Β esquema em pormenor ampliado de um circuito adicional com uma realização modificada do corte, respectivamente antes e após o funcionamento;

Figura 5A e 5B circuito adicional tendo uma realização modificada do corte;

Figura 6A e 6B circuito adicional tendo uma realização modificada do corte; e

Figura 7 pormenor ampliado de uma alteração adicional dos circuitos das figuras 1 a 3.

Em relação aos desenhos, um descarregador de sobretensões polimérico 2 com abas, possui um terminal superior 4 ligado ao equipamento de alta tensão (não apresentado) . No seu extremo inferior, o descarregador 2 encontra-se fisicamente suportado por um bloco 6 ligado à terra, estando espaçado do mesmo por um isolador 8. No extremo inferior do descarregador 2 encontra-se montado um seccionador 10 em ligação eléctrica com o terminal 12 inferior de ligação à terra do descarregador (figuras 2, 3) . Uma haste condutora 14 isolada rigida estende-se para baixo a partir de um terminal 15 do seccionador 10, que se encontra ligado ao terminal 12 e ligado por um condutor flexivel 16 ao bloco 6 ligado à terra, proporcionando deste modo a ligação à terra do terminal descarregador 12.

Um suporte condutor isolado 18 encontra-se montado no extremo inferior do descarregador de sobretensões 2 numa ligação eléctrica com o terminal de ligação à terra 12. O suporte 18 estende-se para baixo do descarregador 2 num formato em L de modo a colocar um eléctrodo 20 directamente junto ao 9

V

seccionador 10. A haste isolada 14 estende-se através de uma abertura no eléctrodo 20.

Conforme indicado pela figura 1, o equipamento de alta tensão (não mostrado) ligado ao terminal de alta tensão 4 do descarregador de sobretensões 2 e o descarregador de sobretensões 2 em si, encontram-se a funcionar normalmente. Isto quer dizer que o descarregador 2 actua como um isolante e nenhuma corrente se encontra a fluir para a terra no bloco 6.

No caso de uma avaria no descarregador 2, flui uma corrente de defeito através do descarregador de sobretensões 2, sendo sentida pelo seccionador 10 conforme passa através do mesmo e depois para a terra no bloco 6 através da haste 14 e condutor flexível 16. O seccionador 10 actua de modo a ejectar-se para longe do descarregador de sobretensões (figura 2) . Um arco eléctrico 22 é estirado entre o terminal de terra 12 do descarregador de sobretensões e o seccionador 10 recuado. 0 seccionador 10 encontra-se guiado no seu movimento pela passagem corrediça da haste isolada rígida 14 através do eléctrodo 20, no suporte 18. O movimento do seccionador 10 é parado pela sua engrenagem com o suporte 18 (figura 3). Nesta posição, é estabelecido um bom contacto eléctrico entre o terminal inferior 15 do seccionador 10 o qual cabe no eléctrodo de suporte 20. Deste modo, encontra-se proporcionado um troço condutor eléctrico sólido e permanente do terminal de terra 12 do descarregador de sobretensões, através do suporte 18 para o seu eléctrodo 20, depois através do terminal 15 de corte e haste isolada 14 e condutor flexível 16 para o bloco 6 ligado à terra. Dado que a impedância deste troço é menor do que aquela para a terra através do arco 22, o arco é extinguido e toda a corrente de defeito passa ao longo do troço sólido. 10

0 fluxo contínuo da corrente através do descarregador de sobretensões para a terra irá agora evitar que o interruptor de carga associado ao equipamento de alta tensão e a sua fonte de alimentação restabeleçam o fornecimento de energia. 0 descarregador de sobretensões com avaria terá que ser substituído, mantendo deste modo a segurança eléctrica deste sistema.

As figuras 4A e 4B mostram uma forma de realização 10' ligeiramente modificada do corte na qual o seu terminal inferior 15' tem a forma frusto-cónica para proporcionar uma engrenagem de acoplamento estável no eléctrodo de suporte 20. A figura 4B mostra o seccionador 10' depois de ter actuado, com uma parte superior 24 ainda fixada ao descarregador de sobretensões 2 e a parte inferior 26 distanciada e suportada no suporte 18. O isolamento da haste 14 encontra-se parcialmente cortado para revelar o elemento condutor incluído.

As figuras 5A e 5B mostram uma modificação do seccionador 10' das figuras 4A e 4B, na qual é apresentada esquematicamente uma bobina helicoidal 28 isolante ou isolada, localizada entre o descarregador de sobretensões 2 e o braço inferior do suporte 18 de modo a actuar como guia para o movimento da haste 14 e parte inferior 26 do seccionador, conforme se separa da sua parte superior 24. A estrutura aberta da guia 28 permite que qualquer fragmento do seccionador 10' em desintegração possa passar através da mesma.

As figuras 6A e 6B mostram uma realização adicional da invenção na qual um tubo 40 isolante com respiradouros pende do descarregador de sobretensões 2, para baixo, e suporta o eléctrodo 20. A haste isolada 14 estende-se para cima para fora do eléctrodo de suporte 20, tal como pode ser visto no troço cortado do tubo 40 e encontra-se guiado num canal 42 do tubo 40. O canal 42 e outros canais 44 possuem respiradouros 11 para o exterior para permitir que os gases explosivos passem para fora do tubo 40 em caso de corte.

Em relação à figura 7, o pormenor ampliado da modificação de um circuito 2 quando desligado (figura 3) montado numa estrutura de suporte, mostra o extremo inferior de um seccionador 10a, o seu terminal 15a e um troço condutor frusto-cónico 50 de ângulo de cone β estendendo-se do mesmo, conduzindo o troço 50 a uma haste 14a rígida condutora isolada. O suporte encontra-se dotado com um eléctrodo 20a na forma de uma abertura 52 frusto-cónica de ângulo de cone a. As configurações encontram-se proporcionadas de modo a que α Φ β, e, conforme mostrado, oí > β, em que existe entre os componentes 50, 52 somente contacto de linha em vez do contacto de superfície que iria existir se α = β. A separação posterior do seccionador 10a do suporte é deste modo facilitado.

Lisboa, 13 de Julho de 2000

0 AGENTE OFICIAL DA PROPRIEDADE INDUSTRIAL

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Claims

\ t t REIVINDICAÇÕES 1. Circuito descarregador de sobretensões compreendendo: (a) um descarregador de sobretensões (2) com (i) um primeiro terminal (12) para ligação, em utilização, a um segundo terminal remoto (6) num primeiro potencial eléctrico, e (ii) um terceiro terminal (4) para ligação, em utilização, a um quarto terminal remoto num segundo potencial eléctrico, o qual é diferente do referido primeiro potencial, em que, em utilização, o primeiro terminal (12) se encontra num local verticalmente mais baixo que o referido terceiro terminal (4) ; (b) meios de ligação (10, 14, 15, 16) dotados para que em funcionamento liguem electricamente o primeiro terminal (12) do descarregador de sobretensões (2) ao referido segundo terminal (6), estando o referido meio de ligação (10, 14, 15, 16) dotado para estar fisicamente desligado do primeiro terminal (12) em resposta a uma condição predeterminada de avaria do descarregador de sobretensões (2); e (c) meios de religação (18, 20) dotados para proporcionar, na sequência da referida desconexão, um trajecto condutor eléctrico sólido do referido primeiro terminal (12) do descarregador de sobretensões (2) para o referido segundo terminal (6); caracterizado por 1 (d) os meios de religação (18, 20) se encontrarem dotados de modo a guiar os meios de ligação (10, 14, 15) na desconexão, afastando-os do descarregador de sobretensões (2) e para suportar os meios de ligação (10, 15) num local que é verticalmente mais baixo do que o referido primeiro terminal (12), assim como para religar electricamente os meios de ligação (10, 15) ao primeiro terminal (12).
2. Circuito de acordo com a reivindicação 1, em que os meios de ligação compreendem um elemento condutor alongado isolado (14) que se encontra em contacto eléctrico directo com o primeiro terminal (12) do descarregador de sobretensões até que tenha lugar o corte, e o qual, posteriormente ao mesmo, efectua o contacto eléctrico com os referidos meios de religação (18, 20).
3. Circuito de acordo com a reivindicação 2, em que durante o corte, os meios de ligação (14, 15) são guiados através de um quinto terminal (20) que faz parte da estrutura de suporte dos meios de religação (18, 20), e que se encontra electricamente ligado ao primeiro terminal (12) do descarregador de sobretensões (2) de modo que, quando os meios de ligação (10, 15) são suportados pelos meios de religação (18, 20), o elemento condutor (15) sobre os mesmos encontra-se em contacto eléctrico com o quinto terminal (20).
4. Circuito de acordo com a reivindicação 3, em que pelo menos este troço (14) dos meios de ligação (10, 14, 15, 16) que se estende através do quinto terminal (20) antes do corte, é rígido.
5. Circuito de acordo com qualquer das reivindicações anteriores, em que o meio de ligação (50) possui, uma superfície circunferente externa cónica e, posteriormente 2 ao corte, é suportado numa abertura cónica (52) do meio de religação (20a), sendo os respectivos ângulos do cone diferentes um do outro.
6. Circuito de acordo com qualquer das reivindicações anteriores em que o referido segundo terminal (6) se encontra substancialmente com potencial de terra e o referido quarto terminal faz parte do equipamento eléctrico em alta tensão, em que os meios de ligação (10, 14, 15, 16) se encontram dotados de modo a ligar o primeiro terminal (12) do descarregador de sobretensões (2) ao potencial de terra.
7. Circuito de acordo com qualquer das reivindicações anteriores, em que o descarregador de sobretensões (2) compreende vários biocos com varistores colocados dentro de um invólucro isolante.
8. Circuito de acordo com a reivindicação 7, em que a superfície externa do invólucro descarregador de sobretensões possui uma configuração com abas.
9. Circuito de acordo com as reivindicações 7 ou 8, em que o invólucro compreende material polimérico.
10. Circuito de acordo com qualquer das reivindicações anteriores em que o meio de religação (18, 20) se encontra localizado externamente ao descarregador de sobretensões. Lisboa, 13 de Julho de 2000 O AGENTE OFICIAL DA PROPRIEDADE INDUSTRIAL

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