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Resistencias de alta tensión para protección contra descargadores de chispas y sobretensiones
En el ámbito de la ingeniería de alta tensión, la gestión y la disipación de la energía eléctrica son primordiales para la seguridad, la fiabilidad y la vida útil de los sistemas críticos.
Resistencias de alta tensión para descargadores de chispas y pararrayos: Ingeniería de la trayectoria de la energía
Respuesta de ingeniería
Los descargadores de chispas y los pararrayos protegen los equipos de alta tensión desviando la energía de sobretensión a tierra, y la resistencia en ese camino determina la velocidad de amortiguación de la sobretensión, cómo se divide la tensión y si el sistema se vuelve a encender posteriormente. resistencias de película gruesa tipo tubo se utilizan para funciones de descarga y amortiguación en circuitos de disparo de chispa, mientras que resistencias divisorias de estilo plano Configure la tensión del arco y la clasificación en los conjuntos de pararrayos, ya que ambos resisten la energía del pulso sin cambiar de valor.
- Dimensiona la resistencia en función de la energía del pulso (J) y la corriente pico, no solo de la potencia media.
- Compruebe el coeficiente de tensión: la resistencia efectiva debe mantenerse dentro de los límites de tolerancia a la tensión de funcionamiento real.
- Agregue resistencia de gradación en serie para equilibrar el voltaje entre las secciones apiladas del pararrayos.
Compendio
Todo circuito de protección contra sobretensiones contiene una resistencia que nadie dibuja en el diagrama de marketing: el componente que carga el condensador de disparo, limita la corriente de seguimiento, amortigua la descarga oscilante o regula la tensión en un conjunto de descargadores. En ingeniería de alta tensión, la resistencia no es un elemento pasivo secundario; es el componente que convierte un transitorio violento en una liberación de energía controlada. Este artículo explica cómo se comportan las resistencias de película gruesa en condiciones de pulso, cómo dimensionarlas para su uso como descargadores de chispa y pararrayos, y cómo se especifica la serie HVC HVR para que los circuitos de protección soporten operaciones repetidas en lugar de fallar tras la primera sobretensión.
1. Contexto de la aplicación: control de la trayectoria de descarga
Un descargador de chispa consiste simplemente en dos electrodos separados por un espacio aislante. Cuando la sobretensión supera la rigidez dieléctrica del gas, el espacio se ioniza y se convierte en una vía de baja impedancia, conduciendo la corriente de sobretensión a tierra. La resistencia aparece en los circuitos auxiliares que hacen que este comportamiento sea predecible: carga el condensador que activa el electrodo de disparo, amortigua la corriente que de otro modo oscilaría entre la inductancia parásita y la capacitancia del espacio, y divide la tensión para que los descargadores y pararrayos multiseccionales compartan la carga de manera uniforme. Las tres funciones tienen diferentes exigencias eléctricas, pero comparten un requisito: la resistencia debe permanecer estable mientras absorbe pulsos de energía grandes y cortos.
En un circuito de disparo que descarga un condensador de 100 nF a 30 kV, la energía almacenada es de aproximadamente 45 J, que se liberan en unos pocos microsegundos. La resistencia en serie con dicha descarga debe absorber una fracción de la energía y soportar la corriente máxima; la masa térmica de la película resistiva y del sustrato, y no la potencia nominal continua, determina si sobrevive.
2. Requisitos técnicos
2.1 Energía de pulso y potencia instantánea. La mayor tensión en un circuito de protección es el pulso de evento único, expresado como energía (J) o como potencia pico con una duración definida:
Una resistencia de 50 kΩ conectada a través de un espacio de 30 kV experimenta una potencia instantánea máxima de 18 kW, pero solo durante microsegundos. La resistencia de película con capacidad para soportar dicho pulso se selecciona a partir de la curva de capacidad de pulso del fabricante, que relaciona la tensión máxima, la duración y la frecuencia de repetición.
2.2 Coeficiente de voltaje de resistencia (VCR). Las resistencias de película gruesa cambian de valor con la tensión aplicada. Una resistencia de alta VCR en un divisor de tensión modifica la relación de derivación a medida que aumenta la tensión de línea, lo que anula el propósito de la calibración de precisión:
En un conjunto de pararrayos de 100 kV, una relación de voltaje de tan solo unas pocas ppm/V en un brazo de 10 MΩ produce un error de kilovoltios en la tensión medida o graduada. La serie plana HVR está diseñada para mantener una baja relación de voltaje, de modo que la relación divisora permanezca constante en todo el rango de operación.
2.3 Inductancia y terminación no inductiva. En caso de un pico de tensión rápido, la inductancia parásita se opone a la corriente y crea un sobreimpulso que anula el propósito de la protección:
Un corte helicoidal en una resistencia de tubo se comporta como un pequeño inductor para tiempos de subida inferiores a un microsegundo. Los diseños no inductivos o con bobinado inverso mantienen la inductancia efectiva en el rango de los nanohenrios, por lo que la resistencia amortigua el transitorio en lugar de resonar con él.
2.4 Resistencia térmica y ambiental. La resistencia debe volver a su valor original después de cada pulso, a pesar del aumento de temperatura local en la película:
Los sustratos de alúmina con alta capacidad térmica y protección de vidrio sobre vidrio mantienen baja la deriva, y el cuerpo encapsulado resiste la corona y el ozono que rodean los dispositivos de protección contra sobretensiones en el campo.
Figura 1 — Cadena de protección con las dos funciones de resistencia: R1 en la rama de disparo/amortiguación y R2 en la rama de descarga/divisor. Ambas deben mantener su valor mientras absorben la energía del pulso.
3. Puntos débiles de los ingenieros (retroalimentación del personal de campo)
Problema 1: La resistencia de amortiguación cambia de valor y el electrodo falla. “Después de unos cientos de operaciones, nuestro divisor de disparo se desajustó y la abertura comenzó a dispararse prematuramente”. La película se estaba degradando bajo el calentamiento pulsado repetido. Pasando a un sobrevidrio de baja VCR HVR de estilo plano Mantuvo la proporción dentro del 0.25% durante 1000 pulsos.
Problema 2: La resistencia resuena con la sobretensión en lugar de amortiguarla. “Observamos un sobreimpulso de 2 kV en el bus protegido a pesar de la resistencia en serie”. El tubo de corte helicoidal tenía suficiente inductancia como para oscilar con la capacitancia parásita. Al reemplazarlo por un tubo no inductivo de bobinado inverso, el sobreimpulso se redujo al nivel de ruido.
Problema 3: El conjunto de pararrayos no comparte el voltaje y una sección absorbe toda la sobretensión. “Una sección MOV seguía fallando mientras que sus vecinas parecían intactas”. Sin resistencias graduadas, el desequilibrio capacitivo y de fugas concentra la tensión. Agregar resistencias emparejadas Resistencias divisorias HVR En cada sección se equilibró el voltaje y se evitaron las fallas en secciones individuales.
4. Parámetros de selección
| Posición | Serie HVC recomendada | VOLTIOS | Especificación clave |
|---|---|---|---|
| Disparador / amortiguación | tubo HVR | 10–100 kV | No inductivo, con capacidad de pulsos |
| Separador / clasificación | Apartamento HVR | 5–50 kV | VCR bajo, coincidencia de ±0.5 % |
| Descargador/purgador | tubo HVR | 10–100 kV | Alta energía de pulso por volumen |
| Tipo de resistencia | Energía del pulso | Inductancia | Vídeo | Uso típico |
|---|---|---|---|---|
| Composición del carbono | Alto | Media | Alto | Circuitos de chispa heredados |
| Tubo de película gruesa HVR | Alto | Bajo (no inductivo) | Bajo | Amortiguación, descarga |
| HVR película gruesa plana | Media | Bajo | Muy bajo | Separadores, clasificación |
| Bobinado | Media | Alto | Bajo | Donde la inductancia es aceptable |
Guía de selección. Comience por la energía del pulso y la corriente pico, no por la potencia promedio: una resistencia que supera la prueba de potencia continua aún puede fallar ante el primer pico. Luego, verifique el coeficiente de voltaje en cualquier posición donde la resistencia determine una relación divisora, y la inductancia en cualquier posición que deba amortiguar transitorios rápidos. Para descargadores apilados, utilice resistencias idénticas del mismo lote de producción para que la clasificación sea predecible.
5. Solución HVC
① Resistencias de tubo con capacidad de pulso para amortiguación y descarga. La serie de tubos HVR está construida sobre varillas de alúmina con un elemento de película gruesa, clasificado según la curva de capacidad de pulsos, por lo que el pico de 18 kW durante unos pocos microsegundos es una condición especificada, no una apuesta. Las terminaciones no inductivas amortiguan las sobretensiones rápidas en lugar de generar oscilaciones.
② Resistencias planas de baja VCR para divisores y gradación. La serie plana HVR mantiene una relación estable en todo el rango de voltaje de funcionamiento, que es precisamente lo que necesita una red de protección contra sobretensiones. La precisa coincidencia de ±0.5 % entre las unidades permite que el conjunto distribuya el voltaje de manera uniforme sin necesidad de ajustes.
③ Protección de vidrio sobre vidrio para el campo. Ambas series están protegidas por un denso esmalte de vidrio que resiste la descarga corona, la humedad y el ozono, y la deriva después de 1000 ciclos de pulsos se mantiene por debajo del 0.25 %, por lo que el circuito de protección no cambia su comportamiento con el paso del tiempo.
6. Caso antes/después
| Parámetro | Antes (bobinado de alambre / carbono) | Después (serie HVC HVR) |
|---|---|---|
| Desviación del divisor después de 1000 pulsos | 3–5% (fallos de encendido) | < 0.25% (estable) |
| Sobretensión en el autobús | 2 kV (timbre) | < 100 V (amortiguado) |
| Fallos en la sección de pararrayos | 1 por trimestre (sección única) | 0 durante 12 meses |
| mantenimiento de campo | Recorte mensual | Ninguna |
Discusión de caso. Una instalación de prueba de potencia pulsada reconstruyó su sistema de activación de chispa y la clasificación de los pararrayos en torno a los componentes HVC HVR. El divisor de activación, que antes se reajustaba mensualmente debido a la deriva, mantuvo su relación durante 1000 descargas. El sobreimpulso del bus proveniente de la resistencia de amortiguación bobinada resonante se redujo de 2 kV a menos de 100 V con el tubo no inductivo, y el conjunto de pararrayos, que perdía una sección cada trimestre, ha funcionado durante un año sin una sola falla. La causa común fue la misma en los tres síntomas: una resistencia que cambió de valor, resonó o se desequilibró bajo estrés de pulso.
7. Puntos de diseño
- El tamaño debe tener en cuenta primero la energía del pulso y la corriente máxima; la potencia media casi nunca es el factor limitante en los circuitos de protección.
- Verifique el coeficiente de voltaje para cada posición que establece una relación; un divisor que varía es peor que no tener ningún divisor.
- Se requiere una baja inductancia en las vías de amortiguación y activación; una resistencia resonante amplifica la sobretensión que debería absorber.
- Seleccione resistencias de igual grado del mismo lote para lograr una distribución de voltaje predecible entre los pararrayos apilados.
- Proteja el cuerpo de la resistencia con un esmalte y una distancia de fuga; la corona en el campo es lo que envejece las películas sin recubrimiento.
8. referencias
- IEC 60099-4:2014, Pararrayos — Parte 4: Pararrayos de óxido metálico sin espacios para sistemas de corriente alternaGinebra, Suiza: IEC.
- ANSI/IEEE C62.11-2020, Norma IEEE para pararrayos de óxido metálico para circuitos de alimentación de CA (>1 kV)Nueva York, NY, EE. UU.: IEEE.
- Vishay, Capacidad de pulsos de las resistencias de película gruesa — Nota técnica. Malvern, Pensilvania, Estados Unidos: Vishay Dale.
- MS Naidu y V. Kamaraju, Ingeniería de alto voltaje, 5.ª ed. Nueva York, NY, EE. UU.: McGraw-Hill, 2013.
- Littlefuse, Fundamentos de los varistores y la protección contra sobretensiones: nota de aplicación.. Chicago, Illinois, Estados Unidos: Littelfuse.
- 陈守川主编，《高电压技术》(Ingeniería de alto voltaje), capítulo 3. 北京: 中国电力出版社, 2015. (en chino)
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