ES2260054T3 - Dispositivo de proteccion contra la sobretensiones. - Google Patents

Abstract

Dispositivo de protección contra las sobretensiones de una línea de alimentación de corriente eléctrica, caracterizado porque comprende por lo menos dos elementos (1, 1¿, 3) a saber por lo menos un pararrayos con diodo Zener (1, 1¿) del tipo con final de vida en cortocircuito, y una varistancia (3), cuyos bornes de conexión respectivos son comunes y que están dispuestos en paralelo, estando uno de los bornes comunes (c, c¿) de estos dos elementos (1, 1¿, 3) conectado a la línea (5, 7) a proteger, y estando el otro borne común (d, d¿) conectado a tierra o a un elemento conductor común.

Description

Dispositivo de protección contra las sobretensiones.

La presente invención se refiere a un dispositivo destinado a asegurar la protección de aparatos electrónicos contra las sobretensiones que se manifiestan a veces en los conductores utilizados en las redes de distribución de energía eléctrica, en particular en el caso de caída de un rayo.

Se han propuesto en el estado anterior de la técnica una cantidad muy diversa de dispositivos pararrayos que están conectados entre un hilo de la red y la tierra o un elemento conductor común y que comprenden unos componentes que, en funcionamiento normal, se comportan como unos elementos neutros, pero que, en caso de sobretensión violenta, resultan conductores, por lo que derivan la corriente debida a la sobretensión y en particular al rayo, protegiendo así la instalación dispuesta corriente abajo contra los efectos destructores de esta sobretensión.

Las características técnicas que se exigen a dichos aparatos son muy diversas, por lo que, hasta el presente, ningún dispositivo pararrayos del mercado satisface totalmente el conjunto de las características necesarias:

Estas últimas son las siguientes:

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tiempo de respuesta muy corto,

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gran poder de flujo de la corriente,

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tensión residual muy baja,

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continuidad del servicio, y de la protección,

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precio de coste que debe poder ser determinado en función del coste de los aparatos y de los dispositivos a proteger.

Se ha propuesto, para asegurar dicha función, utilizar unos chispómetros de gas. Sin embargo estos últimos poseen notables inconvenientes y en particular el de presentar un retardo importante para el cebado por lo que, en ciertos casos, y en particular en el caso de sobretensiones particularmente violentas rápidas provocadas por el rayo, el deterioro de los aparatos electrónicos se produce antes de la derivación de la corriente del rayo por el chispómetro.

Se recurre también a varistancias que presentan la ventaja de absorber energías térmicas y eléctricas importantes sin destruirse, cuando sufren unos impulsos de corriente, por lo que permiten así descrestar una sobretensión, en particular provocada por el rayo, sin que la alimentación de corriente de los aparatos que el dispositivo pretende proteger sea interrumpida. Un ejemplo de una característica de varistancia está representada en la figura 1 (curva b).

Sin embargo, se sabe de manera general que un pararrayos es un dispositivo que está conectado entre una línea a proteger y la tierra o un elemento conductor común, y que resulta conductor a la aparición de una sobretensión transitoria y que, fluyendo la energía de esta, protege los equipos electrónicos sensibles dispuestos corriente abajo contra los efectos destructores de esta sobretensión. Se comprende así que un pararrayos de tipo ideal no debe conducir la corriente eléctrica cuando la tensión en sus bornes es normal y conducir rápidamente una gran cantidad de corriente cuando la tensión resulta anormal, manteniendo la mismo tiempo la sobretensión a un nivel aceptable.

Ahora bien, el inconveniente principal de las varistancias es que, bajo el efecto de choques eléctricos repetidos, y en razón de las temperaturas de funcionamiento elevadas, las mismas sufren un desgaste que se traduce por un final de vida resistiva por descenso del umbral de descrestado. Se está así obligado a introducir unos desconectadotes (norma NFC 61-740 julio 1995 y norma CEI 61653-1 del 1º de marzo 1998) en las líneas de energía, que tienen por objetivo abrir el circuito en caso de final de vida a fin de evitar la provocación de incendio. Uno de los dos conectadotes utilizados está obligatoriamente dispuesto en el interior del cuerpo del pararrayos, lo que provoca la supresión de la protección después de su accionamiento.

Dicho modo de funcionamiento es extremamente arriesgado a nivel de la protección de una instalación en la medida en que, cuando tiene lugar una tormenta, las sobretensiones se suceden a una cierta cadencia dependiente de los diferentes rayos. Se han propuesto por tanto diversos medios destinados a suprimir este inconveniente, en particular disponiendo varias varistancias en paralelo, lo que es posible gracias a la importancia de la pendiente (relación U/I) de su característica. Dicha puesta en paralelo puede ser efectuada con la ayuda de varistancias de valores diferentes lo que permite controlar, en una cierta medida, el orden de su destrucción.

Se sabe también que otro inconveniente de las varistancias es que presentan una tensión residual demasiado elevada en el caso de un frente de tensión muy rápido y en el caso de corrientes muy fuertes.

Se han propuesto también dispositivos pararrayos que recurren a unos diodos Zener que presentan la ventaja de no ser influidos por el desgaste debido a choques eléctricos repetidos y funcionar a unas temperaturas elevadas. Estos pararrayos son tales que, una vez el diodo Zener destruido debido a una sobretensión, resultan inmediatamente conductores por lo que conducen a tierra la sobretensión. Poseen entonces una capacidad importante de flujo de las corrientes y unas tensiones residuales muy bajas, y esto en todos los casos.

Los pararrayos de este tipo presentan desgraciadamente el inconveniente de ser de un coste levado, en la medida en que los diodos Zener utilizados son construidos a partir de silicio monocristalino que es mucho más caro que los productos utilizados para realizar las varistancias y que debe ser dispuesto entre unos discos disipadores del calor de cobre o de plata. Estos pararrayos deben por tanto ser construidos con un gran número de discos que es función de la importancia de la energía que se desea absorber antes de la destrucción en cortocircuito del elemento.

No obstante, a pesar de su coste, dichos pararrayos son sin embargo interesantes puesto que aseguran, después de su destrucción, una continuidad de la protección de los aparatos que están destinados a proteger.

Se conoce también por la patente DE-U-298 08 365 un circuito de protección de alta tensión destinado a proteger unos dispositivos de medición con baja impedancia de entrada que permite evitar diferentes problemas que se encuentran en los circuitos convencionales y en particular unos efectos de pérdida de corriente cuando tienen lugar mediciones de alta precisión.

Este circuito, cuyo objetivo es diferente del objeto de la presente solicitud, comprende una varistancia y un diodo Zener que están asociados. Sin embargo, los bornes de estos dos elementos no son comunes y el circuito no puede así asegurar la función del circuito según la invención.

Otro ejemplo de un dispositivo de protección contra las sobretensiones según la técnica anterior se describe en el documento WO-A-9002431.

La presente invención tiene por objeto evitar los diversos inconvenientes de la técnica anterior proponiendo un dispositivo de protección contra las sobretensiones, y en particular contra los efectos del rayo, que satisfaga a la vez las diferentes condiciones previstas anteriormente.

La presente invención tiene así por objeto un dispositivo de protección contra las sobretensiones de una línea de alimentación de corriente eléctrica, caracterizado porque comprende por lo menos dos elementos, a saber por lo menos un pararrayos con diodo Zener del tipo con final de vida en cortocircuito, y una varistancia, cuyos bornes son comunes y que están dispuestos en paralelo, estando uno de los bornes común de estos dos elementos conectado a la línea a proteger, y estando el otro borne común conectado a tierra o a un elemento conductor común.

El elemento de varistancia podrá estar asociado a un desconectador que estará dispuesto entre este y la línea a proteger. Por otra parte, un desconectador podrá estar dispuesto corriente arriba del borne común de los dos elementos que está conectado a la línea a proteger.

En un modo de realización particularmente interesante de la invención el dispositivo estará constituido por una envolvente de forma global cilíndrica cuyos dos extremos estarán constituidos por dos anillos metálicos aislados uno del otro que constituirán sus dos bornes, estando cada uno de estos respectivamente unidos a dichos bornes comunes de los dos elementos. El elemento pararrayos con diodo Zener estará preferentemente dispuesto según el eje longitudinal de la envolvente cilíndrica. El elemento varistancia tendrá la forma de un tubo que estará dispuesto alrededor del elemento pararrayos con diodo Zener, de manera que su eje longitudinal esté confundido con el eje longitudinal de la envolvente cilíndrica. Por otra parte, las superficies interna y externa del elemento varistancia podrán estar respectivamente en contacto con un tubo metálico interno y un tubo metálico externo que constituirán sus electrodos y que estarán respectivamente en contacto con los anillos metálicos.

De forma interesante, la conexión entre el anillo metálico y el tubo externo está asegurada por unos puntos de soldadura cuyo volumen y número son tales que son aptos para fundirse bajo el efecto de una sobretensión de manera que aseguren una función de desconectador.

El espacio interior del tubo interno podrá ser llenado con un producto aislante y resistente tal como en particular una resina epoxy.

El dispositivo de protección según la invención puede también estar constituido por un soporte conector que comprende unos medios de recepción respectivos de los elementos que asegura su conexión en paralelo así como la conexión de sus bornes comunes respectivos con los bornes del dispositivo.

La figura 1 es un gráfico que representa las características (es decir la variación de la tensión en función de la corriente) por una parte de un pararrayos de tipo con diodo Zener (curva a) y por otra parte, de una varistancia (curva b).

La figura 2 es un esquema de principio que muestra un dispositivo de protección según la invención y su disposición practica sobre una línea de corriente a proteger.

La figura 3 es una vista en sección axial y longitudinal de un modo de realización de un dispositivo de protección según la invención.

La figura 4 es una vista en perspectiva de una segunda variante de realización de un dispositivo de protección según la invención.

Como se representa en la figura 2, se han asociado en paralelo dos elementos de pararrayos, a saber un elemento pararrayos 1 con diodo Zener del tipo en el cual se establece un cortocircuito entre sus bornes cuando se alcanza un cierto nivel de sobretensión, y una varistancia 3, de forma tal que sus bornes respectivos c y c' por una parte y d y d' por otra parte sean comunes.

El pararrayos está destinado a asegurar la protección de una línea eléctrica 5. Para ello, uno de los bornes comunes c, c' de los dos elementos de pararrayos 1 y 3 está conectado a la línea 5 y su otro borne común d, d' está conectado a tierra. Un desconectador 4 está dispuesto sobre la línea 5 corriente arriba de los elementos de pararrayos 1 y 3 y otro desconectador 6 está dispuesto justo corriente arriba de la varistancia 3. La otra línea 7 de la instalación puede estar protegida de la misma manera.

En la figura 1 se han representado las características respectivas a y b de los dos elementos de pararrayos 1 y 3, es decir la variación de la tensión V en los bornes de un elemento en función de la intensidad I de la corriente que atraviesa éste. Se puede así, en función del valor de la corriente, distinguir cuatro zonas I, II, III, IV.

El que concierne al elemento 1, que es el pararrayos que comprende un diodo Zener, se constata que: en la primera zona I se establece una corriente muy débil y corresponde a la dolarización del diodo Zener. En la segunda zona II, que corresponde a una zona llamada zona de avalancha, la tensión es casi constante cualquiera que sea la corriente que atraviesa el pararrayos. En la tercera zona III la potencia eléctrica establecida, que corresponde al producto de la tensión mantenida por la corriente, genera, en el interior del pararrayos, un calor importante que provoca la fusión de los elementos y que confiere al conjunto una resistencia eléctrica muy baja definitiva. En la cuarta zona IV, habiendo resultado la resistencia muy baja, la tensión en los bornes del pararrayos se eleva poco a pesar de las corrientes muy elevadas. Se sabe que el proceso de descrestado que se efectúa en las zonas I y II es un proceso de carácter reversible que no crea ningún desgaste y ningún cambio de las características del pararrayos. A la inversa, en la zona III, hay un cambio brutal e irreversible de las características.

Como se ha representado en la misma figura 1, la característica correspondiente del elemento 3, a saber la varistancia, se sitúa bajo la del elemento pararrayos 1, por lo que cuando los dos elementos de pararrayos están asociados en paralelo y tienen sus bornes de conexión respectivos comunes y, en consecuencia, son alimentados por sus extremos por una misma tensión, es el elemento 3 constituido por la varistancia el que asegura el caudal de la corriente (puesto que para una tensión de aproximadamente 500 voltios en los bornes de estos dos elementos la varistancia 3 suministrará una corriente de intensidad del orden de 0,05 miliamperios, mientras que la corriente suministrada en el pararrayos será del orden de aproximadamente 5 microamperios). La asociación en paralelo con los bornes comunes de la varistancia 3 y del pararrayos 1 constituido esencialmente por un diodo Zener permitirá, cuando la tensión en los bornes de la varistancia alcanza el valor de avalancha del diodo Zener, continuar conduciendo la corriente hasta que la potencia de salto de chispa del diodo Zener sea alcanzada, lo que se producirá para un valor de corriente muy superior, al que habría sido sin la asociación de la varistancia.

Se ha representado en la figura 3 un ejemplo práctico de realización de un dispositivo pararrayos. Este dispositivo pararrayos es de forma global cilíndrica de eje longitudinal yy'. Comprende dos anillos extremos metálicos 10 y 12 que constituyen los dos bornes de conexión del pararrayos. Uno de estos anillos, el anillo 12 inferior en el dibujo, está solidarizado por soldadura a un tubo metálico 14 de menor diámetro. Cada uno de los dos anillos metálicos 10, 12 recibe, en una zona próxima a su extremo, un disco metálico 16 al cual está solidarizado por soldadura. Se han dispuesto según el eje longitudinal yy' del dispositivo dos elementos de pararrayos 1' con diodo Zener del tipo con final de vida en cortocircuito. Estos dos elementos 1' están dispuestos en serie y están unidos por una unión metálica tubular 18 de manera que sus bornes extremos estén respectivamente soldados a los discos 16 en el centro de estos. Los dos elementos de pararrayos con diodo Zener 1' con del tipo en el cual, bajo el efecto de una potencia muy fuerte, se ponen en cortocircuito de forma definitiva. Dichos pararrayos son en particular del tipo de los descritos en las patentes FR-A-2.511.556 y FR-A-2.585.892.

Los dos elementos de pararrayos 1' están rodeados por un elemento tubular 20 metálico que está soldado por uno de sus extremos sobre el disco superior 16 y que constituye un blindaje destinado a conferirle un comportamiento mecánico suficiente para permitirle resistir las grandes potencias que se generan por las corrientes desarrolladas por el fenómeno del rayo, y esto durante un tiempo suficiente que permita a los dispositivos desconectadores eventuales ser activados.

La varistancia 3 tiene una forma tubular y su cara interna está en contacto con el tubo interno 20 que construye así uno de sus electrodos y su cara externa está en contacto con el tubo externo 14 que constituye su otro electrodo. Este tubo 14 está unido al anillo 12 por soldadura.

En este modo de realización particular de la invención se podrá hacer de manera que la soldadura que une el anillo 12 al tubo 14 desempeñe la función del desconectador 6, es decir que se funda cuando tiene lugar una sobretensión. A este fin, esta soldadura 6' podrá ser una soldadura al estaño de la cual se determinará el volumen de manera que provoque su fusión en unas condiciones específicas. La misma podrá en particular estar constituida por una serie de puntos repartidos sobre la periferia de la unión del anillo 12 y del tubo 14.

El volumen interno del tubo 20, así como el delimitado por las paredes internas del anillo 12, están llenos de una resina 21, por ejemplo, una resina termoendurecible o epoxy. Esta resina se elige, por una parte, por sus cualidades de aislante pero también, por otra parte, por sus cualidades de adherencia con los elementos de la caja con los cuales entra en contacto así como por sus cualidades de resistencia mecánica propias.

Se podría desde luego constituir el dispositivo de protección contra las sobretensiones según la invención con otra estructura.

Como se ha representado en la figura 4, el dispositivo de protección comprende una caja empotrable modular 23, del tipo estandarizado, que comprende un primer alojamiento cilíndrico que le permite recibir un elemento pararrayos con diodo Zener 1' de forma globalmente cilíndrica y un segundo alojamiento de forma paralelepipédica que le permite recibir una varistancia 3' de la misma forma. La caja 23 comprende unos medios internos de conexión que permiten poner los dos elementos de pararrayos 1' y 3' en paralelo y asegurar la conexión de sus bornes comunes respectivos con los bornes del dispositivo, así como un desconectador asociado a la varistancia.

Claims (10)

1. Dispositivo de protección contra las sobretensiones de una línea de alimentación de corriente eléctrica, caracterizado porque comprende por lo menos dos elementos (1, 1', 3) a saber por lo menos un pararrayos con diodo Zener (1, 1') del tipo con final de vida en cortocircuito, y una varistancia (3), cuyos bornes de conexión respectivos son comunes y que están dispuestos en paralelo, estando uno de los bornes comunes (c, c') de estos dos elementos (1, 1', 3) conectado a la línea (5, 7) a proteger, y estando el otro borne común (d, d') conectado a tierra o a un elemento conductor común.

2. Dispositivo según la reivindicación 1, caracterizado porque la varistancia (3) está asociada a un desconectador (6, 6') que está dispuesto entre esta y la línea (5, 7) a proteger.

3. Dispositivo según una de las reivindicaciones 1 o 2, caracterizado porque un desconectador (4) está dispuesto corriente arriba del borne común de los dos elementos (1, 3) que está conectado a la línea (5, 7) a proteger.

4. Dispositivo según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque está constituido por una envolvente de forma global cilíndrica cuyos dos extremos están formados por dos anillos metálicos (10, 12) aislados uno del otro que constituyen sus dos bornes, estanco cada uno de estos respectivamente conectado a dichos bornes comunes de los dos elementos (1, 3).

5. Dispositivo según la reivindicación 4, caracterizado porque el elemento pararrayos con diodo Zener (1, 1') está dispuesto según el eje longitudinal (yy') de la envolvente cilíndrica.

6. Dispositivo según una de las reivindicaciones 4 o 5, caracterizado porque la varistancia (3) tiene la forma de un tubo que está dispuesto alrededor del elemento pararrayos con diodo Zener (1') de manera que su eje longitudinal esté confundido con el eje longitudinal (yy') de la envolvente cilíndrica.

7. Dispositivo según la reivindicación 6, caracterizado porque las superficies interna y externa de la varistancia (3) están respectivamente en contacto con un tubo metálico interno (20) y un tubo metálico externo (14) que constituyen sus electrodos y que están respectivamente en contacto con los anillos metálicos (10, 12).

8. Dispositivo según la reivindicación 7, caracterizado porque la conexión entre el anillo metálico (12) y el tubo externo (14) está asegurada por unos puntos de soldadura cuyo volumen y número son tales que son aptos para fundirse bajo el efecto de una sobretensión de manera que aseguren una función de desconectador.

9. Dispositivo según una de las reivindicaciones 7 o 8, caracterizado porque el espacio interno de dicho tubo interno (20) está lleno de un producto aislante y resistente tal como en particular una resina epoxy.

10. Dispositivo según una de las reivindicaciones 1 o 2, caracterizado porque está constituido por un soporte conector (23) que comprende unos medios de recepción respectivos de los elementos (1, 3) y que asegura su conexión en paralelo así como la conexión de sus bornes comunes respectivos con los bornes del dispositivo.