MX2012015024A - Dispositivos de graduacion para un aparato de alto voltaje. - Google Patents
Dispositivos de graduacion para un aparato de alto voltaje.Info
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Abstract
Un montaje eléctrico que tiene un componente eléctrico alargado, tal como un disipador de sobretensiones, conectado a un dispositivo de graduación para la distribución de un campo eléctrico a lo largo del componente eléctrico durante la operación. El dispositivo de graduación incluye un cuerpo de graduación y un medio para asegurar el cuerpo de graduación al componente eléctrico. El cuerpo de graduación, el medio de aseguramiento, o ambos, incluyen materiales semiconductores. Los materiales semi-conductores pueden ser no metálicos. El dispositivo de graduación tiene resistencia a los saltos de corriente mejorada sobre los dispositivos metálicos de graduación convencionales.
Description
DISPOSITIVOS DE GRADUACIÓN PARA UN APARATO DE ALTO VOLTAJE
CAMPO TÉCNICO
Esta invención se relaciona con dispositivos de graduación novedosos para su uso con aparatos de alto voltaje. Más específicamente, la presente invención se relaciona con dispositivos de graduación semi-conductores para aplicaciones de alto voltaje que tienen un disipador de sobretensión u otro(s) dispositivo (s) que requiera (n) de graduación .
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN
Los sistemas de aislamiento eléctrico se usan típicamente para aislar componentes que tienen diferentes potenciales eléctricos en el equipo de transmisión o distribución de corriente, lo cual sirve especialmente para aislar eléctricamente los componentes de alto voltaje de la tierra, y evitar el flujo de corriente de los componentes de alto voltaje a la tierra. Las condiciones de sobrevoltaje transitorio provocadas por un disturbio, pueden llevar a un salto de corriente del equipo, resultando en un desgaste del sistema y daño potencial al equipo de corriente.
Para reducir o eliminar el salto de corriente del equipo de corriente, un disipador de sobretensión se usa típicamente en paralelo con el equipo de corriente. Los disipadores de sobretensiones están conectados típicamente a la terminal de alto voltaje para transportar las corrientes de sobretensiones eléctricas a la tierra, y así evitar el daño al equipo de corriente. Los disipadores de sobretensión convencionales, incluyen típicamente un alojamiento externo alargado hecho de un material eléctricamente aislante, tal como porcelana o polímero, un par de terminales eléctricas en extremos opuestos del alojamiento para conectar el disipador entre un conductor de alto voltaje y tierra, y una serie de componentes eléctricos en el alojamiento que forman una vía de series entre las terminales. Estos componentes incluyen típicamente una pila de elementos no lineares resistentes que dependen del voltaje. Estas resistencias o varistores se caracterizan por ofrecer generalmente una alta resistencia al voltaje normal a través de las líneas de distribución o transmisión, y por proporcionar muy baja resistencia a corrientes de sobretensiones producidas por condiciones repentinas de alto voltaje, tales como las provocadas por un rayo, y reduciendo así el riesgo de salto de corriente del equipo de corriente durante los eventos de sobretensiones. Dependiendo del tipo de disipador, también puede incluir uno o más electrodos, disipadores de calores o montajes de distancia entre electrodos alojados dentro del alojamiento aislado y eléctricamente en serie con los varistores .
El gradiente de voltaje, o distribución de voltaje, a lo largo del disipador de sobretensiones, generalmente no es equitativo entre el alto potencial y las conexiones a tierra. Cuando el campo eléctrico en un punto del aparato de alto voltaje excede un umbral critico, se puede iniciar una actividad significativa de descarga, lo que puede resultar en la degradación de o daño a los materiales, llevando eventualmente a la falla del aparato. Debido a que el campo eléctrico a lo largo del disipador de sobretensiones y el equipo de corriente está concentrado en los extremos, en una condición de sobrevoltaj e, las unidades aislantes del extremo se descompondrán primero. Un gradiente de voltaje sustancialmente uniforme a lo largo de los dispositivos eléctricos alargados, se obtiene generalmente al usar dispositivos de graduación, o dentro del alojamiento del disipador, usando un alto número de pequeños condensadores que están conectados físicamente y eléctricamente en paralelo a los elementos resistentes no lineares. Los dispositivos de graduación usualmente tienen la forma de anillos graduadores y son conductores con forma de anillo y medios de aseguramiento que rodean el extremo de alto potencial de los dispositivos eléctricos alargados. Al distribuir el campo eléctrico de manera más equitativa, los dispositivos de graduación también minimizan la actividad de la descarga.
Los dispositivos de graduación convencionales están hechos generalmente de metal, tal como aluminio, cobre o acero galvanizado. El metal siempre se ha usado en dispositivos de graduación debido a sus propiedades conductoras, su capacidad para soportar corrientes de sobretensión de voltaje, actividades de corona, y capacidad para soportar la exposición a rayos ultravioleta (UV) sin descomponerse en el entorno en el que los dispositivos de graduación son colocados. En el pasado, los fabricantes no hablan considerados los materiales totalmente no metálicos, tales como plásticos o compuestos, para la construcción de los dispositivos de graduación, debido a que la conductividad eléctrica de los materiales no metálicos no es tan buena como los materiales metálicos, y las propiedades conductoras requeridas de los materiales adecuados para un dispositivo de graduación se desconocen. Más aún, el comportamiento de los materiales no metálicos expuestos a sobretensiones de alto voltaje, tampoco se conoce .
BREVE DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN
Los montajes eléctricos y dispositivos de graduación aquí descritos, han mejorado la resistencia a los saltos de corriente, por lo tanto, una especificación mejorada de Nivel de Impulso Básico (BIL por sus siglas en inglés) (nivel de voltaje de un rayo que el equipo puede soportar), sobre los montajes y dispositivos de graduación convencionales. Debido a la mejora en la especificación de BIL, los componentes eléctricos se pueden colocar más cerca que lo convencionalmente posible.
En un aspecto, los dispositivos de graduación incluyen al menos un cuerpo de graduación y un medio para asegurar el cuerpo de graduación a un componente eléctrico. El dispositivo de graduación distribuye un campo eléctrico a lo largo del componente eléctrico durante la operación del componente eléctrico. Del cuerpo de graduación y el medio de aseguramiento, al menos uno de estos componentes incluye un material semi-conductor . El material semiconductor puede ser un polímero que tenga un aditivo semiconductor o un compuesto orgánico relleno. El material semi-conductor del dispositivo de graduación puede tener una conductividad de volumen de al menos alrededor de 10~5 siemens por metro, y más preferentemente, al menos alrededor de 10~3 siemens por metro. El material semi-conductor del dispositivo de graduación puede tener una permisividad de al menos alrededor de 10, y al más preferentemente de al menos alrededor de 1000. El dispositivo de graduación puede estar hecho de un material semi-conductor no metálico homogéneo. El cuerpo de graduación y/o el medio de aseguramiento pueden estar hechos de múltiples capas, en el cual la capa exterior es un material semi-conductor no metálico. El cuerpo de graduación y/o el medio de aseguramiento pueden incluir rellenadores metálicos. Las uniones de conexión entre el cuerpo de graduación y el medio de aseguramiento, y entre el medio de aseguramiento y el componente eléctrico, pueden incluir materiales que son semi-conductores, conductores, capacitivos, inductivos, resistivos o sus combinaciones. Las uniones de conexión pueden ser metal. El cuerpo de graduación del dispositivo de graduación puede estar en la forma de un anillo, una tubería, un tubo, u otra forma sólida. La forma del cuerpo de graduación puede incluir cualquier forma de circuito cerrado o abierto, incluyendo, pero no limitándose a, circular, elíptica, frustocónica, triangular, cuadrada, poligonal o asimétrica. En ciertas modalidades ejemplares, el cuerpo de graduación tiene la forma de un anillo. El dispositivo de graduación puede ser asimétrico, o con forma frustocónica . En el caso en donde está presente más de un cuerpo de graduación, los cuerpos de graduación pueden tener diferentes tamaños y/o formas, o ser iguales en tamaño y forma. El material semi-conductor puede ser no metálico. El material no metálico puede ser un material inductivo, material capacitivo, material resistivo o una combinación de los mismos. El dispositivo de graduación puede incluir una bobina o una resistencia.
En otro aspecto, los sistemas de montajes eléctricos pueden incluir un disipador de sobretensiones y un dispositivo de graduación de la presente invención, conectados al mismo. El dispositivo de graduación puede rodear una porción del disipador de sobretensiones, o estar posicionado en una distancia alejada de un extremo del disipador de sobretensiones. El dispositivo de graduación puede estar conectado al extremo del disipador de sobretensiones, o a un conector entre dos unidades de un disipador de sobretensiones. El dispositivo de graduación puede contener completamente un conector, o estar conectado a un conector mediante un medio de aseguramiento o dispositivos de montaje.
En otro aspecto más, los sistemas de montaje eléctrico pueden incluir un primer componente eléctrico y un primer dispositivo de graduación no metálico de la presente invención conectado a los mismos, y un segundo componente eléctrico y un segundo dispositivo de graduación no. metálico de la presente invención conectado al mismo. La proporción del voltaje de impulso de salto de corriente a la separación, o golpe, la distancia entre el primer y el segundo dispositivo de graduación no metálico es mayor a la proporción del voltaje de impulso de salto de corriente a la distancia de separación entre dos dispositivos de graduación que consisten de componentes puramente metálicos. Como se usa aquí, el término "voltaje de impulso de salto de corriente" se refiere al valor de cresta del voltaje de impulso que provoca una descarga disruptiva completa a través del aire entre los electrodos.
BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS
La Figura 1 es una vista en perspectiva de un montaje eléctrico que tiene un disipador de sobretensiones con dispositivos de graduación conectados ' al mismo, de acuerdo con una modalidad ejemplar.
La Figura 2A es una vista lateral de un montaje eléctrico que tiene un disipador de sobretensiones con un dispositivo de graduación conectado al mismo, de acuerdo con otra modalidad ejemplar.
La Figura 2B es una vista superior del montaje eléctrico de la Figura 2A, de acuerdo con una modalidad ej emplar .
La Figura 3A es una vista lateral de un montaje eléctrico que tiene un disipador de sobretensiones con dispositivos de graduación conectados al mismo, de acuerdo con otra modalidad ejemplar más.
La Figura 3B es una vista superior del montaje eléctrico de la Figura 3A, de acuerdo con una modalidad ej emplar .
La Figura 3C es una vista transversal lateral de uno de los dispositivos de graduación mostrados en la Figura 3A, de acuerdo con una modalidad ejemplar.
La Figura 4A es una vista lateral de un montaje eléctrico que tiene un disipador de sobretensiones con un dispositivo de sobretensiones conectado al mismo, de acuerdo con otra modalidad ejemplar.
La Figura 4B es una vista superior del montaje eléctrico de la Figura 4A, de acuerdo con una modalidad ej emplar .
DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN
Un dispositivo de graduación aquí descrito, generalmente incluye al menos un cuerpo de graduación y al menos un medio para asegurar el cuerpo a un componente o montaje eléctrico (medio de aseguramiento) , en donde al menos uno del cuerpo de graduación y el medio de aseguramiento contiene sustancialmente ningún componente metálico. El dispositivo de graduación se usa junto con un componente eléctrico, tal como un disipador de sobretensiones. Generalmente, los dispositivos de graduación de la presente invención tiene una función de graduación similar o comparable a los dispositivos de graduación convencionales, asi como una funcionalidad de corona minimizante similar. Sin embargo, los dispositivos de graduación de la presente invención han mejorado la resistencia a los saltos de corriente, y por lo tanto, una especificación mejorada de Nivel de Impulso Básico (BIL por sus siglas en inglés) (nivel de voltaje de un rayo que el equipo puede soportar) , sobre los dispositivos de graduación convencionales. Debido a la mejora en la especificación de BIL sobre los dispositivos de graduación convencionales, los componentes eléctricos se pueden colocar más cerca entre si que lo convencionalmente posible. Los dispositivos de graduación de la presente invención también son capaces de ser usados en condiciones de operación de alto voltaje, y soportar la exposición a los rayos UV sin descomponerse bajo la operación esperada como se conoce en la industria.
La invención puede ser mejor entendida al' leer la siguiente descripción de modalidades no limitativas, ejemplares, con referencia a los dibujos que se acompañan, en los cuales las partes iguales de cada una de las figuras están identificadas por los mismos caracteres de referencia .
La Figura 1 es una vista en perspectiva de un montaje eléctrico (100), de acuerdo con una modalidad ejemplar. El montaje eléctrico (100) incluye un disipador de sobretensiones de alto voltaje (105) que tiene dispositivos de graduación (110, 115, 120) conectados al mismo. El disipador de sobretensiones (105) incluye una unidad disipadora superior (105a), una unidad disipadora central (105b) y una unidad disipadora inferior (105c) . La unidad disipadora superior (105a) está conectada a la unidad disipadora central (105b) mediante un conector (125a) . La unidad disipadora central (105b) está conectada a la unidad disipadora inferior (105c) mediante un conector (125b) . En ciertas modalidades, los conectores (125a, 125b) están hechos de metal. En otras modalidades, los conectores (125a, 125b) están hechos de material semi-conductor . El disipador de sobretensiones (105) incluye un contenedor o alojamiento de cuenca alargado exterior (130) hecho de un material eléctricamente aislante, tal como porcelana o polímero, una terminal potencial de línea (135a) , una terminal de tierra (135b) , y una serie de componentes eléctricos (no mostrados) dentro del alojamiento (130) que forman una vía de series entre las terminales (135a, 135b) . La serie de componentes eléctricos incluyen típicamente una pila de elementos resistivos no lineares que dependen del voltaje, o varistores. Los montajes eléctricos de la presente invención pueden incluir cualquier configuración de disipadores de sobretensión adecuados.
El dispositivo de graduación (110) está conectado a un extremo de la unidad disipadora superior (105a) mediante un conector (135c). El dispositivo de graduación (110) es un sistema de graduación de un nivel invertido que tiene tres varillas de montaje, o medios de aseguramiento (110a) conectados a un cuerpo de graduación (110b). En ciertas modalidades ejemplares, el cuerpo de graduación (110b) tiene la forma de un anillo anular. Aunque se muestran tres varillas de montajes (110a), cualquier número de varillas de montaje (110a) puede estar presente en el dispositivo de graduación (110) . Las varillas de montaje (110a) están conectadas al conector (135c) mediante sujetadores o pernos roscados (no mostrados) , de tal forma que el cuerpo de graduación (110b) está posicionado en una distancia alejada del disipador de sobretensiones (105). Una persona que tiene conocimientos ordinarios en la materia puede determinar fácilmente la distancia óptima del cuerpo de graduación (110b) con respecto al disipador de sobretensiones (105), lo que puede variar en cada caso con base en el voltaje y el diseño.
El dispositivo de graduación (110) contiene al menos un componente de forma de campo. En ciertas modalidades ejemplares, el cuerpo de graduación (110b) incluye un material no metálico. En otras ciertas modalidades, las varillas de montaje (110a) incluyen un material no metálico. En otras modalidades, tanto el cuerpo de graduación (110b) como las varillas de montaje (110a) incluyen un material no metálico. Como se usa aqui, el término material no metálico se refiere a cualquier material no compuesto completamente de metal puro. En ciertas modalidades ejemplares, el dispositivo de graduación (110) incluye un componente hecho de un material semi-conductor , tal como un polímero relleno de negro de carbono. Los materiales adecuados para su uso en el dispositivo de graduación (110) incluyen, pero no están limitados a, materiales que tienen una conductividad de volumen de al menos alrededor de 10"5 siemens por metro (S/m) y una permisividad de al menos 10. En ciertas modalidades ejemplares, el dispositivo de graduación (110) está hecho de un material que tiene una conductividad de volumen de al menos alrededor de 10"3 S/m y una permisividad de al menos 1000. La conductividad de volumen y la permisividad necesarias se determinan por el efecto de graduación -deseado para un aparato de alto voltaje. En ciertas modalidades, el dispositivo de graduación (110) puede incluir un inductor o un material capacitor. Los ejemplos adecuados de inductores incluyen, pero no están limitados a, bobinas conductoras alrededor de un material, tal como un núcleo magnético o una bobina de núcleo de aire. Ejemplos adecuados de materiales capacitivos incluyen, pero no están limitados a, cerámicas tales como ZnO, BaTi03, A1203 y Ti02, polímeros tales como fluoruro de polivinilideno (PVDF), epoxi, y poliéster, y compuestos tales como compuestos de polímero-cerámica (por ejemplo, polietileno-ZnO, polietileno-BaTi03 , epoxi-BaTi03 y poliéster-A1203 ) . En ciertas modalidades, el dispositivo de graduación (110) incluye una resistencia. En ciertas modalidades, el dispositivo de graduación (110) está hecho de materiales multi-capa, tal como un tubo o tablero de polímero que tiene una capa semi-conductora externa. En otras ciertas modalidades, uno de los componentes del dispositivo de graduación (110) incluye un núcleo metálico que tiene una capa semi-conductora externa. En ciertas modalidades, la capa semi-conductora es un polímero relleno de negro de carbono, que tiene una conductividad de volumen de al menos alrededor de 10"5 S/m y una permisividad de al menos 10. En otras ciertas modalidades, el dispositivo de graduación (110) está hecho mediante moldeo por inyección o extrusión de aglomerados de plástico semi-conductor homogéneos. En ciertas modalidades, el dispositivo de graduación (110) incluye un tubo extruido de polietileno que tiene rellenadores semi-conductores en el mismo. En ciertas modalidades, el dispositivo de graduación (110) está hecho de un compuesto orgánico con un aditivo semiconductor. En ciertas modalidades, el dispositivo de graduación (110) está hecho usando negro de carbono dispersado en polímeros. Generalmente, el dispositivo de graduación (110) es adecuado para aplicaciones en las que la distribución de voltaje es deseada a lo largo del disipador de sobretensiones (105), así como la supresión de corona a lo largo del disipador de sobretensiones (105). El dispositivo de graduación (110) puede mejorar la resistencia a los saltos de corriente, lo que puede mejorar las especificaciones de BIL y llevar a una reducción en el requerimiento de margen entre el equipo. En otras palabras, la proporción del voltaje de impulso de salto de corriente a la distancia de separación entre dos dispositivos de graduación no metálicos, es mayor a la proporción de voltaje de impulso de salto de corriente a la distancia de separación entre dos dispositivos de graduación que consiste de componentes puramente metálicos. En ciertas modalidades ejemplares, el conector (135c) está hecho de un material conductor, semi-conductor , inductivo o capacitivo. El conector (135c) también puede mejorar la resistencia a los saltos de corriente, lo que puede mejorar la especificación de BIL.
El dispositivo de graduación (115) es similar al dispositivo de graduación (110) (Figura 1), la diferencia se encuentra en la estructura física del anillo de graduación. El dispositivo de graduación (115) incluye cuatro varillas de montaje (115a) conectadas a dos cuerpos de graduación
(115b, 115c) que tienen la forma de anillos anulares, y es un sistema de graduación de dos niveles que tiene al menos un componente no metálico, semi-conductor . En ciertas modalidades ejemplares, el cuerpo de graduación (115b) incluye un material no metálico, semi-conductor. En ciertas modalidades ejemplares, el cuerpo de graduación (115c) incluye un material no metálico, semi-conductor. En otras ciertas modalidades ejemplares, las varillas de montaje
(115a) incluyen un material no metálico, semi-conductor. En otras modalidades, uno o ambos cuerpos de graduación (115b, 115c) y las varillas de montaje (115a) incluyen un material no metálico, semi-conductor. En ciertas modalidades ejemplares, el cuerpo de graduación (115b) tiene un diámetro mayor a un diámetro del cuerpo de graduación
(115c) . En otras ciertas modalidades, el cuerpo de graduación (115b) tiene un diámetro igual a un diámetro del cuerpo de graduación (115c) . El cuerpo de graduación (115b) está conectado a un extremo de las varillas de montaje
(115a) y el cuerpo de graduación (115c) está posicionado alrededor de la mitad a lo largo de la longitud de las varillas de montaje (115a), de forma tal que las varillas de montaje (115a) conectadas con los cuerpos de graduación (115b, 115c) forman una forma genéricamente cónica. El extremo de las varillas de montaje (115a) opuesto al cuerpo de graduación (115b) está conectado al conector (135c) mediante cuatro sujetadores o pernos roscados (no mostrados), de forma tal que los cuerpos de graduación (115b, 115c) rodeen el disipador de sobretensiones (105) . Generalmente, la concentración de campo eléctrico más alta sucede en el extremo de linea potencial del disipador de sobretensiones (105). El dispositivo de graduación (115) es el medio principal para distribuir uniformemente el campo eléctrico a lo largo del disipador de sobretensiones (105) .
El dispositivo de graduación (120) es similar al dispositivo de graduación (110) (Figura 1), la diferencia estando en la colocación y orientación del cuerpo de graduación sobre el disipador de sobretensiones (105), y el número de varillas de montaje presentes en el dispositivo de graduación (110) . El dispositivo de graduación (120) incluye cuatro varillas de montaje (120a) conectadas a un cuerpo de graduación (120b) . En ciertas modalidades ejemplares, el cuerpo de graduación (120b) tiene la forma de un anillo anular. El extremo de las varillas de montaje (120a) opuesto al cuerpo de graduación (120b) está conectado al conector (125a) entre la unidad disipadora superior (105a) y la unidad disipadora central (105b) mediante cuatro sujetadores o pernos roscados (no mostrados), de forma tal que el cuerpo de graduación (120b) rodea la unidad disipadora central (105b) del disipador de sobretensiones (105) . Generalmente, el dispositivo de graduación (115) se usa para mejorar la distribución de voltaje en la porción inferior de la unidad disipadora superior (105a), y la porción superior de la unidad disipadora central (105b).
Aunque la Figura 1 ilustra dispositivos de graduación ejemplares de uno y dos niveles que tienen al menos un componente no metálico, se pueden usar otras configuraciones de dispositivo de graduación. Por ejemplo, en ciertas modalidades ejemplares, los dispositivos de graduación utilizados pueden ser anillos de graduación de tres niveles que tienen tres cuerpos de graduación espaciados a lo largo de las varillas de montaje. En ciertas modalidades, los dispositivos de graduación pueden tener más de tres cuerpos de graduación espaciados a lo largo de las varillas de montaje. Los dispositivos de graduación pueden estar diseñados de cualquier número de maneras y colocados en cualquier parte del disipador de sobretensiones para cumplir con las necesidades de distribución de voltaje del sistema. El cuerpo de graduación del dispositivo de graduación puede tener la forma de un anillo, una tubería, un tubo u otra forma sólida. La forma del cuerpo de graduación puede incluir cualquier forma de circuito cerrado o abierto, incluyendo, pero no limitándose a, circular, elíptica, frustocónica, triangular, cuadrada, poligonal o asimétrica. En ciertas modalidades ejemplares, el cuerpo de graduación tiene la forma de un anillo anular. En ciertas modalidades, los cuerpos de graduación en la forma de anillos anulares pueden tener diámetros iguales. El cuerpo de graduación puede estar hecho de un material semi-conductor no metálico, o tener múltiples capas de materiales variados pero con la capa exterior siendo un material no metálico, semi-conductor. El material semi-conductor puede incluir polímeros que tengan un aditivo semi-conductor.
El medio de aseguramiento puede estar hecho de materiales no metálicos o metálicos. Los medios de aseguramiento pueden incluir dispositivos de montaje semiconductores, conductores, capacitivos, inductivos y resistivos, y pueden tener cualquier forma, incluyendo, pero no limitándose a, una varilla, un tubo, una tubería, una bobina, un cilindro y un tablero. Las uniones de conexión entre el cuerpo de graduación y los medios de aseguramiento, y entre los medios de aseguramiento y el montaje eléctrico, pueden incluir materiales que son semiconductores, conductores, capacitivos, inductivos, resistivos, o sus combinaciones.
Haciendo ahora referencia a las Figuras 2A-2B, la Figura 2A es una vista lateral, y la Figura 2B es una vista superior de un montaje eléctrico (200), de acuerdo con otra modalidad ejemplar. El montaje eléctrico (200) incluye un disipador de sobretensiones de alto voltaje (205) que tiene un dispositivo de graduación no metálico (210) conectado al mismo. El disipador de sobretensiones (200) es similar al-disipador de sobretensiones (100) (Figura 1), e incluye una unidad disipadora superior (205a) , una unidad disipadora central (205b) y una unidad disipadora inferior (205c) . El dispositivo de graduación (210) es similar al dispositivo de graduación (110) (Figura 1), la diferencia estando en la estructura física del cuerpo de graduación. El dispositivo de graduación (210) está conectado a un extremo de la unidad disipadora superior (205a) . El dispositivo de graduación (210) incluye un cuerpo de graduación de forma frustocónica que tiene una pared lateral sólida (210a) y un extremo plano sólido (210b) . El extremo plano (210b) está conectado al extremo de la unidad disipadora superior (205a) mediante un medio de sujeción (no mostrado) de forma tal que la pared lateral (210a) rodea una porción del disipador de sobretensiones (205) . En ciertas modalidades alternativas, el extremo plano sólido (210b) es removido de forma tal que el dispositivo de graduación (210) incluye únicamente la pared lateral (210a) , y está conectado al disipador de sobretensiones (205) usando varillas de montaje en un punto a lo largo del disipador de sobretensiones (205) lejos de un extremo. En otras ciertas modalidades, una porción central del extremo plano sólido (210b) es removido de forma tal que la porción central tiene un diámetro más grande que un diámetro del disipador de sobretensiones, y el dispositivo de graduación (210) está conectado al disipador de sobretensiones (205) usando varillas de montaje en un punto a lo largo del disipador de sobretensiones (205) .
Haciendo referencia ahora a las Figuras 3?-3?, la Figura 3A es una vista lateral, y la Figura 3B es una vista superior de un montaje eléctrico (300), de acuerdo con otra modalidad ejemplar. El montaje eléctrico (300) incluye un disipador de sobretensiones de alto voltaje (305) que tiene un dispositivo de graduación no metálico (310) conectado al mismo. El disipador de sobretensiones (300) es similar al disipador de sobretensiones (100) (Figura 1), e incluye una unidad disipadora superior (305a) , una unidad disipadora central (305b) y una unidad disipadora inferior (305c) . La unidad disipadora superior (305a) está conectada a la unidad disipadora central (305b) mediante un conector (325a) (Figura 3C) y un dispositivo de graduación disipador central (325c) . La unidad disipadora central (305b) está conectada a la unidad disipadora inferior (305c) mediante un conector (325b) que es similar al conector (125b) (Figura 1) ·
El dispositivo de graduación (310) es similar al dispositivo de graduación (110) (Figura 1), la diferencia estando en la estructura física del cuerpo de graduación. El dispositivo de graduación (310) es un sistema de graduación de dos niveles que tiene cuatro varillas de montaje no metálicas (310a) conectadas a un cuerpo superior no metálico de forma cuadrada (310b) y un cuerpo inferior no metálico de forma cuadrada (310c) conectado al cuerpo superior no metálico de forma cuadrada (310b) mediante cuatro varillas de conexión no metálicas (310d) . Las varillas de montaje (310a) están conectadas al extremo de la unidad disipadora superior (305a), de forma tal que el cuerpo inferior de forma cuadrada (310c) rodea una porción del disipador de sobretensiones (305).. En ciertas modalidades ejemplares, los cuerpos superior e inferior de forma cuadrada (310b, 310c) incluyen uniones de conexión conductoras metálicas o no metálicas (345) en cada esquina. Aunque la Figura 3A ilustra un sistema de graduación de dos niveles, otras configuraciones de cuerpo de graduación se pueden usar. Por ejemplo, en ciertas modalidades ejemplares, los dispositivos de graduación usados pueden ser un sistema de graduación de tres niveles que tiene tres cuerpos de forma cuadrada espaciados a lo largo de las varillas de conexión. En otras ciertas modalidades, los dispositivos de graduación usados pueden ser un sistema de graduación de un nivel que tiene un solo cuerpo de forma cuadrada. En ciertas modalidades, cada uno de los cuerpos de forma cuadrada tiene un tamaño diferente. En ciertas modalidades alternativas, cada uno de los cuerpos puede tener una forma diferente a un cuadrado, tal como un triángulo, pentágono, hexágono, u otro polígono, o ser asimétricos. Los dispositivos de graduación pueden estar diseñados de cualquier número de maneras y colocados en cualquier parte del disipador de sobretensiones para cumplir con las necesidades de distribución de voltaje del sistema .
Haciendo referencia ahora a la Figura 3C, la Figura 3C es una vista transversal del conector (325a) y el dispositivo de graduación disipador céntral (325c) mostrados en la Figura 3A, de acuerdo con una modalidad ejemplar. El conector (325a) es similar al conector (125a) (Figura 1) e incluye dos bridas (35a, 350b) que están atornilladas entre sí para conectar la unidad disipadora superior (305a) a la unidad disipadora central (305b) . En ciertas modalidades ejemplares, el dispositivo de graduación disipador central (325c) tiene generalmente forma toroidal, y está configurado para rodear al conector (325a) . En modalidades alternativas, el dispositivo de graduación disipador central (325c) puede ser rectangular. La superficie exterior del dispositivo de graduación disipador central (325c) puede ser de cualquier forma. El dispositivo de graduación disipador central (325c) puede fabricarse de manera similar al dispositivo de graduación (110) (Figura 1), e incluye un material semi-conductor . En ciertas modalidades ejemplares, el dispositivo de graduación disipador central (325c) está hecho de un caucho semi-conductor. En ciertas modalidades alternativas, el dispositivo de graduación disipador central (325c) puede incluir un plástico, pintura o cinta semi-conductora .
Haciendo referencia ahora a las Figuras 4A-4B, la Figura 4A es una vista lateral, y la Figura 4B es una vista superior de una porción de un montaje eléctrico (400), de acuerdo con otra modalidad ejemplar. El montaje eléctrico (400) incluye una unidad disipadora superior (405a) de un disipador de sobrevoltaje (405), un dispositivo de graduación (415), y un conector (435c). El disipador de sobrevoltaje (405) es similar al disipador de sobrevoltaje (105) (Figura 1) . El dispositivo de graduación (415) es similar al dispositivo de graduación (115) (Figura 1), la diferencia estando en la estructura física del cuerpo de graduación. El dispositivo de graduación (415) es un sistema de graduación de dos niveles, de forma abierta, que tiene cuatro varillas de montaje (415a) conectadas a dos cuerpos de graduación de forma abierta (415b, 415c) . En ciertas modalidades ejemplares, los cuerpos de graduación (415b, 415c) tienen la forma de anillos que tiene cuatro aberturas equitativamente espaciadas (415ba, 415ca) , respectivamente. En ciertas modalidades alternativas, los cuerpos de graduación (415b, 415c) pueden incluir cualquier número de aperturas (415ba, 415ca) y estar espaciados equitativamente entre sí, o asimétricamente colocados en los cuerpos de graduación (415b, 415c) . El dispositivo de graduación (415) incluye al menos un componente no metálico, semi-conductor . En ciertas modalidades ejemplares, el cuerpo de graduación (415b) incluye un material no metálico, semi-conductor. En ciertas modalidades ejemplares, el cuerpo de graduación (415c) incluye un material no metálico, semi-conductor. En otras ciertas modalidades, las varillas de montaje (415a) incluyen un material no metálico, semi-conductor. En otras modalidades, uno o ambos cuerpos de graduación (415b, 415c) y las varillas de montaje (415a) incluyen un material no metálico, semi-conductor.
Los dispositivos de graduación de la presente invención pueden mejorar la distribución de voltaje a lo largo del disipador de sobretensiones, mientras que logran un efecto de graduación comparable a los dispositivos metálicos de graduación convencionales. Los dispositivos de graduación de la presente invención también pueden proporcionar protección de corona comparable a los dispositivos de graduación convencionales. Los dispositivos de graduación de la presente invención también demuestran resistencia a los saltos de corriente y especificaciones de BIL mejoradas sobre los dispositivos de graduación convencionales. Para facilitar un mejor entendimiento de la presente invención, se proporcionan los siguientes ejemplos de modalidades preferidas. De ninguna manera deben considerarse los siguientes ejemplos como que limitan o definen el alcance de la invención.
EJEMPLOS
Ejemplo 1
Pruebas de operación con calor térmico y de descarga parcial (PD por sus siglas en inglés) se llevaron a cabo en disipadores de polímero (voltaje especificado 240 kV, Voltaje Máximo de Operación Continua (MCOV por sus siglas en inglés) 190 kV) teniendo (i) ninguna graduación, (ii) cuerpos metálicos de graduación, y (iii) cuerpos de graduación semi-conductores . Las pruebas también se llevaron a cabo en disipadores de porcelana (voltaje especificado 312 kV, MCOV 245 kV) teniendo (i) cuerpos metálicos de graduación y (ii) cuerpos de graduación semi-conductores. Los cuerpos de graduación probados tenían la forma de anillos anulares de forma cerrada. Los sensores de temperatura de fibra óptica fueron fijados a cada muestra para monitorear la temperatura del disco en ubicaciones a lo largo del disipador. Un sensor de temperatura de fibra óptica monitoreó la temperatura ambiente del lugar. Todas las muestras fueron energetizadas en MCOV hasta que las temperaturas se estabilizaron. La descarga parcial también fue medida en MCOV para las muestras disipadoras de porcelana. Para el sobrevoltaje temporal (TOV por sus siglas en inglés), el voltaje fue incrementado para incrementar la temperatura en 20 grados C para el disipador de porcelana y 10 grados C para el disipador de polímero. Después de que se logró el incremento de temperatura, el voltaje fue reducido nuevamente a MCOV (245 kV para porcelana y 190 kV para polímero) . La temperatura fue monitoreada hasta que las temperaturas se estabilizaron.
Los resultados de la operación con calor térmico se muestran en la Tabla 1 más adelante. Los resultados de la prueba de descarga parcial se muestran en la Tabla 2 más adelante .
Tabla 1. Resultados de la Operación de Calor Térmico
Tabla 2. Resultados de la Prueba de Descarga Parcial
Todas las muestras experimentaron una elevación en la temperatura debido a la pérdida de energía. Todas las muestras que tenían cuerpos de graduación demostraron estabilidad térmica a lo largo de la prueba, mientras que el disipador sin el cuerpo de graduación no mostró estabilidad térmica. Las pruebas de PD mostraron que los valores PD del cuerpo de graduación semi-conductor y el cuerpo de metálico graduación eran comparables.
Ejemplo 2
Una simulación de análisis de elemento finito (FEA por sus siglas en inglés) fue llevada a cabo para mostrar cómo un dispositivo no metálico de graduación semiconductor puede mejorar la resistencia a los saltos de corriente, mejorando asi las especificaciones de BIL sobre los dispositivos de graduación metálicos convencionales. El FEA se llevó a cabo usando el software Maxwell V12 comercialmente disponible de Ansoft. Un disipador de sobretensiones de tres unidades teniendo un dispositivo de graduación que tiene dos cuerpos de graduación anulares conforma de anillo con cuatro varillas de montaje como medio de soporte (similar al dispositivo de graduación (115) mostrado en la Figura 1) fue probado. El disipador tiene una especificación de 330 kV. Cuando una sobretensión se aplica a la parte superior del disipador, existe un voltaje entre el cuerpo de graduación inferior y el conector entre la unidad disipadora superior y la unidad disipadora central. Este voltaje se define como VAB- En la simulación de FEA, se asumió que el dispositivo de graduación estaba hecho de un material homogéneo. Las simulaciones se llevaron a cabo en cuatro dispositivos de graduación como sigue: (i) dispositivo metálico de graduación, (ii) dispositivo de graduación semi-conductor que tiene conductividad de 0.1 S/m, (iii) dispositivo de graduación semi-conductor que tiene conductividad de 0.01 S/m, y (iv) dispositivo de graduación semi-conductor que tiene conductividad de 0.001 S/m.
La Tabla 3 más adelante resume los valores VAB pico cuando una onda de 1.2/50us de impulso estándar con un pico de 1500 kV se aplica a la parte superior del disipador que tiene un dispositivo de graduación conectado al mismo. Los resultados indican que el VAB tiene el valor más alto cuando el dispositivo de graduación está hecho de materiales metálicos solamente. El V¾B se muestra para reducir el volumen con la conductividad del volumen en disminución del dispositivo de graduación. Por ejemplo, el VAB se redujo a 239 kV cuando la conductividad del volumen del dispositivo de graduación es 0.01 S/m, lo que fue el 66% del valor de V¾B para el dispositivo metálico de graduación (363 kV) . En otras palabras, el nivel de BIL puede ser incrementado en alrededor de 52% al reemplazar un dispositivo de graduación metálico con un dispositivo de graduación no metálico semi-conductor que tiene una conductividad de volumen de 0.01 S/m.
La Tabla 3 también lista los valores VB pico, los que pueden mostrar el efecto de graduación con respecto a los dispositivos de graduación variable. El valor VB es el voltaje entre el conector (unidad superior y unidad central) y la tierra. Para un disipador de tres unidades iguales bajo impulso de sobretensión que tiene un valor pico de 1500 kV, el valor VB pico ideal seria 1000 kV. Los resultados sugieren que los dispositivos de graduación no metálicos pueden mejorar el efecto de graduación durante la onda de sobretensión de impulso. El voltaje pico en el conector (VB) para el dispositivo de graduación no metálico que tiene una conductividad de volumen de 0.01 S/m es de alrededor de 1016 kV, mientras que el voltaje pico en el conector para el dispositivo metálico de graduación es de alrededor de 1137 kV.
Tabla 3. Resultados de Simulación de Análisis de Elemento
Finito
Por lo tanto, los resultados de la simulación sugieren que la presente invención del uso de un dispositivo de graduación no metálico semi-conductor en aparatos de alto voltaje, puede mejorar la „ resistencia a los saltos de corriente para el impulso de sobretensiones, lo que puede llevar a una especificación de BIL incrementada, asi como a la mejora del efecto de graduación, durante la onda de impulso de sobretensión.
Por lo tanto, la presente invención está bien adaptada para lograr los objetivos y ventajas mencionadas, asi como las que son inherentes a la misma. Las modalidades particulares divulgadas con anterioridad son únicamente ilustrativas, ya que la presente invención se puede modificar y practicar en diferentes pero equivalentes maneras aparentes para los que tienen conocimientos ordinarios en la materia y que tienen el beneficio de las enseñanzas de la misma. Habiendo descrito algunas modalidades ejemplares de la presente invención, se cree que el uso de configuraciones alternas del dispositivo de graduación está dentro del ámbito de aplicación de aquellos que tienen conocimientos ordinarios en la materia. También, los cuerpos de graduación no metálicos que incluyen materiales semi-conductores, se pueden usar en un banco de condensador para protección contra corona. Estos anillos de protección contra corona se pueden fabricar de manera similar a los cuerpos de graduación de la presente invención, pero tienen diferentes configuraciones estructurales para conectarse a la configuración del banco de condensador. Además, las configuraciones del dispositivo de graduación pueden usarse en otras aplicaciones de alto voltaje, en las que un dispositivo de graduación o de protección contra corona externo es necesario, tal como con los transformadores de voltaje potencial y transformadores de corriente. Mientras que las personas con conocimientos ordinarios en la materia pueden hacer numerosos cambios, dichos cambios están abarcados dentro del espíritu de esta invención, según se define en las reivindicaciones que se adjuntan. Por lo tanto, es evidente que las modalidades ilustrativas particulares divulgadas anteriormente pueden ser alteradas o modificadas, y todas esas variaciones están consideradas dentro del alcance y espíritu de la presente invención .
Claims (23)
1. Un dispositivo de graduación para distribuir un campo eléctrico en un sistema de transmisión de alto voltaje, el dispositivo comprendiendo: un disipador de sobretensión que comprende un cuerpo exterior alargado, un primer extremo eléctricamente conectado a un conductor de alto voltaje, y un segundo extremo eléctricamente conectado a tierra; al menos un cuerpo de graduación; y un medio para asegurar el cuerpo de graduación al primer extremo del disipador de sobretensión, caracterizado porque el al menos un cuerpo de graduación comprende un material semi-conductor , caracterizado porque, a medida que se aplica un alto voltaje de operación continuo a través del conductora al disipador se sobretensiones, el al menos un cuerpo de graduación distribuye dicho campo eléctrico a lo largo del disipador de sobretensiones para lograr un efecto de graduación a lo largo del disipador de sobretensiones, y caracterizado porque el al menos un cuerpo de graduación proporciona, además, supresión de corona para el disipador de sobretensiones.
2. El dispositivo graduación la reivindicación 1, caracterizado porque el material semiconductor es un polímero relleno o un compuesto orgánico relleno .
3. El dispositivo de graduación de la reivindicación 1, caracterizado porque el material semiconductor tiene una conductividad de volumen de al menos alrededor de 10~5 siemens por metro.
4. El dispositivo de graduación de la reivindicación 1, caracterizado porque el al menos un cuerpo de graduación comprende un material semi-conductor homogéneo.
5. El dispositivo de graduación de la reivindicación 1, caracterizado porque el al menos un cuerpo de graduación o medio de aseguramiento comprende una capa exterior y al menos una capa interior, caracterizado porque la capa exterior comprende un material semiconductor .
6. El dispositivo de graduación de la reivindicación 1, caracterizado porque el al menos un cuerpo de graduación comprende negro de carbono.
7. El dispositivo de graduación de la reivindicación 1, caracterizado porque al menos uno del cuerpo de graduación o medio de aseguramiento comprende rellenadores metálicos.
8. El dispositivo de graduación de la reivindicación 1, comprendiendo, además, uniones de conexión semi-conductoras entre el al menos un cuerpo de graduación y los medios de aseguramiento.
9. El dispositivo de graduación de la reivindicación 1, caracterizado porque el al menos un cuerpo de graduación tiene una forma seleccionada del grupo que consiste de circuios cerrados o abiertos, elipses, triángulos, cuadrados y otros polígonos.
10. El dispositivo de graduación de la reivindicación 1, caracterizado porque el al menos un cuerpo de graduación tiene una forma frustocónica .
11. El dispositivo de graduación de la reivindicación 1, caracterizado porque el al menos un cuerpo de graduación comprende dos o más cuerpos de graduación, en donde cada uno de los dos o más cuerpos de graduación tienen un tamaño diferente.
12. El dispositivo de graduación de la reivindicación 1, caracterizado porque el material semiconductor es un material no metálico seleccionado de al menos uno de un grupo que consiste de inductores, materiales capacitivos y resistencias.
13. Un montaje eléctrico en un sistema de transmisión de alto voltaje, que comprende: un disipador de sobretensiones que comprende un primer extremo conectado eléctricamente a un conductor de alto voltaje y un segundo extremo conectado eléctricamente a tierra; y un dispositivo de graduación conectado al primer extremo del disipador de sobretensiones; caracterizado porque el dispositivo de graduación comprende al menos un cuerpo de graduación y un medio para asegurar el cuerpo de graduación al disipador de sobretensiones , caracterizado porque el al menos un cuerpo de graduación comprende un material semi-conductor, y caracterizado porque, a medida que se aplica un alto voltaje de operación mediante el conductor al disipador de sobretensiones, el dispositivo de graduación distribuye un campo eléctrico para lograr un efecto de graduación a lo largo de al menos una porción del disipador de sobretensiones y proporciona supresión de corona para el disipador de sobretensiones.
14. El montaje eléctrico de la reivindicación 13, caracterizado porque el cuerpo de graduación rodea una porción del disipador de sobretensiones.
15. El montaje eléctrico de la reivindicación 13, caracterizado porque el disipador de sobretensiones incluye al menos dos unidades disipadoras conectadas entre si mediante un conector, en donde el dispositivo de graduación rodea al conector.
16. El montaje eléctrico de la reivindicación 13, caracterizado porque el cuerpo de graduación tiene una forma seleccionada del grupo que consiste de circuios abiertos o cerrados, elipses, triángulos, cuadrados y otros polígonos .
17. El montaje eléctrico de la reivindicación 13, caracterizado porque el material semi-conductor es un material no metálico seleccionado de al menos un grupo que consiste de materiales inductivos, materiales capacitivos y materiales resistivos.
18. Un sistema de montaje eléctrico en un sistema de transmisión de alto voltaje, que comprende: un primer disipador de sobretensiones que comprende un primer cuerpo exterior alargado, un primer extremo eléctricamente conectado a un primer conductor de alto voltaje, y un segundo extremo eléctricamente conectado a tierra; un segundo disipador de sobretensiones que comprende un segundo cuerpo exterior alargado, un tercer extremo eléctricamente conectado a un segundo conductor de alto voltaje, y un cuarto extremo eléctricamente conectado a tierra; un primer dispositivo de graduación conectado al primer disipador de sobretensiones, el primer dispositivo de graduación comprendiendo un primer cuerpo de graduación y un primer medio para asegurar el primer cuerpo de graduación al primer extremo del primer disipador de sobretensiones, en donde el primer cuerpo de graduación comprende un material no metálico; y un segundo dispositivo de graduación conectado al segundo disipador de sobretensiones, el segundo dispositivo de graduación comprendiendo un segundo cuerpo de graduación y un segundo medio para asegurar el segundo cuerpo de graduación al tercer extremo del segundo disipador de sobretensiones, en donde el segundo cuerpo de graduación comprende el material no metálico; caracterizado porque una proporción de voltaje de impulso de salto de corriente a la distancia de separación entre el primer y segundo dispositivo de graduación es mayor a una proporción de voltaje de impulso de salto de corriente a la distancia de separación entre dos dispositivos de graduación que consisten de componentes puramente metálicos.
19. El sistema de montaje eléctrico de la reivindicación 18, caracterizado porque el material no metálico tiene una conductividad de volumen de al menos alrededor de 10~5 siemens por metro.
20. El sistema de montaje eléctrico de la reivindicación 18, caracterizado porque el material no metálico tiene una permisividad de al menos alrededor de 10.
21. El sistema de montaje eléctrico de la reivindicación 18, caracterizado porque el primer dispositivo de graduación incrementa una primera especificación de nivel de impulso básico del primer disipador de sobretensiones en relación con el primer disipador de sobretensiones conectado al primer dispositivo de graduación que comprende material puramente conductor, y en donde el segundo dispositivo de graduación incrementa una segunda especificación de nivel de impulso básico del segundo disipador de sobretensiones en relación con el segundo disipador de sobretensiones conectado al segundo dispositivo de graduación que comprende el material puramente conductor.
22. El dispositivo de graduación de la reivindicación 1, caracterizado porque el al menos un cuerpo de graduación incrementa una especificación de nivel de impulso básico del disipador de sobretensiones en relación con el disipador de sobretensiones conectado a el al menos un cuerpo de graduación que comprende material puramente conductor.
23. El montaje eléctrico de la reivindicación 13, caracterizado porque el dispositivo de graduación incrementa una especificación de nivel de impulso básico del disipador de sobretensiones en relación con el disipador de sobretensiones conectado al dispositivo de graduación que comprende material puramente conductor.
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