CARACTERIZACIÓN DE DESCARGADORES DE SOBREVOLTAJES DE ZnO
Clara R. Rojo Ceballos Gabriel J. Carmona Zapata Universidad Nacional de Colombia
-Sede Medellín- Empresas Públicas de Medellín E.S.P. [email protected] Colombia [email protected] Colombia RESUMEN
El reciente desarrollo de los descargadores de sobrevoltajes de oxido metálico (ZnO) renueva el interés sobre estos dispositivos como elemento de protección. La tecnología de ZnO se desarrolló durante 1980, pero solo en 1990 se alcanzaron mayores niveles de voltaje y capacidades de absorción de energía.
El varistor de ZnO presenta una característica V-I altamente no lineal que hace que el descargador en régimen permanente se comporte a como un circuito abierto, es decir presente una alta impedancia, mientras en régimen transitorio se comporta como un corto circuito y drena a tierra la corriente de descarga asociada al sobrevoltaje.
Palabras Claves: Descargadores de sobrevoltajes Varistor, barrera Schottky, voltaje residual, impulso de corriente tipo rayo.
1. INTRODUCCIÓN
Los sistemas de potencia están sujetos a sobrevoltajes transitorios de origen interno y externo, estos viajan a lo largo de la línea de transmisión y pueden causar daños a los equipos desprotegidos, a las personas y semovientes. Las pérdidas corona y los retornos a tierra pueden atenuar los sobrevoltajes, pero su magnitud puede exceder el nivel de aislamiento de los equipos de un sistema eléctrico de potencia [1].
Para limitar los sobrevoltajes a un nivel de protección es necesario utilizan los descargadores de sobrevoltajes (pararrayos), los cuales tiene un comportamiento no lineal el cual se puede expresar por la siguiente ecuación:
I
KV
(1)Siendo K una constante que depende de las característica y geometría del material en esta caso oxido metálico (ZnO) y
el coeficiente de no linealidad.Esta ecuación representa el comportamiento capacitivo-óhmico del descargador, es decir se comporta como un circuito abierto en estado estable y en régimen transitorio como un corto circuito. A 60 Hz fluye una corriente sustancialmente capacitiva y cuando en los terminales del descargador aparece un voltaje superior al nominal se conmuta de un estado aislante tipo capacitivo a un estado de impedancia casi cero, es decir es corto circuito para la red eléctrica.
Los descargadores son dispositivos que tienen la función de proteger contra los sobrevoltajes los equipos y dispositivos eléctricos electrónicos de un sistema
eléctrico de potencia. En las redes eléctricas se encuentran diferentes tipos de descargadores pero los actualmente utilizados son los de ZnO [1]. Hay una variedad de factores que influyen en el dimensionamiento de los descargadores de sobrevoltajes, pero los requerimientos exigidos por el usuario se pueden dividir en tres categorías:
Protección contra los sobrevoltajes. Alta confiabilidad y mayor vida útil.
Adicionalmente, en el caso de una sobrecarga del descargador el riesgo de lesiones personales y daños a los equipos adyacentes debe ser bajo.
2. MARCO TEÓRICO
A continuación se presentan conceptos fundamentales, cuyo conocimiento permiten comprender el funcionamiento de los descargadores. Estos conceptos son tomados de la Norma NTC 4389 (IEC600 99-4) [2].
2.1 Característica de protección de un pararrayos. Es la combinación de los siguientes factores:
Tensión residual para impulso de corriente escarpado.
La tensión residual en función de la corriente de descarga para los impulsos tipo rayo.
El nivel de protección para impulso tipo rayo de un descargador es la tensión residual máxima para la corriente de descarga nominal.
Tensión residual para impulso tipo maniobra. 2.2 Tensión residual de un pararrayos (Ures).
El valor pico de la tensión que aparece entre los terminales de un pararrayos durante el paso de la corriente de descarga.
Nota. En algunos países se usa la expresión “voltaje de descarga”.
2.3 Voltaje de referencia
El valor pico del voltaje a frecuencia nominal dividido por √2 que se debe aplicar al pararrayos para obtener la corriente de referencia.
2.4 Corriente de descarga nominal de un descargador El impulso de corriente que fluye a través del pararrayos.
2.5 Impulso de corriente tipo rayo.
Impulso de corriente de 8/20 s con límites en el ajuste del equipo tal que los valores medidos se encuentran entre 7 μs a 9 μs para el tiempo de frente virtual y de 18
μs a 22 μs para el tiempo hasta la mitad del valor sobre la cola. En la figura 1 se presenta el este tipo de impulso.
Figura 1.Impulso de corriente 8/20 µs 1
3. PARTES CONSTITUTIVAS DEL DESCARGADOR
Los descargadores de sobrevoltajes han evolucionados, desde dispositivos con un gran número de varistores y múltiples accesorios, hasta los nuevos dispositivos que soportan un alto gradiente de voltaje, con elementos adicionales de alta absorción de energía, esto ha permitido reducir el número de partes hasta en un 50% y el volumen cerca de un 40% con obvias implicaciones económicas. Cada desarrollo ha sido un paso para la optimización de la característica de protección del descargador. En la figura 2 se presenta las partes más importantes de un de un descargador de sobrevoltajes [3]
Figura 2.elementos constitutivos de un descargador de sobrevoltajes [3]
3.1 Cubierta (housing)
Fabricada de material cerámico o polimérico resistente al choque eléctrico y térmico, ya que su diseño debe proveer máxima distancia de flujo y máximo desempeño por contaminación. La cubierta de silicona sirve como almohadilla y posición de seguridad a los discos de oxido de Zinc.
3.2 Varistores
Constituyen la parte esencial de los pararrayos, poseen características eléctricas no lineales y niveles ideales de absorción de energía.
1 Tomado de la norma IEEE 4-1978
Un varistor es un material cuya resistividad depende del campo eléctrico bajo el cual se encuentra. En particular, los varistores no cumplen la ley de Ohm, pues no existe una relación lineal entre el voltaje en sus terminales y la corriente que fluye por ellos.
Su comportamiento eléctrico depende de la microestructura del dispositivo y de los procesos en los que se forman los límites de grano. El principal material de estos varistores es el ZnO y una composición normal en % molar es el 97% de ZnO, 1% de Sb2O3 y 0.5 de c/u
de los siguientes óxidos: Bi2O3, CoO, MnO y Cr2O3 [4].
En el caso de un varistor la respuesta ante condiciones de frecuencia industrial corresponde a una relación altamente no lineal entre la corriente y el voltaje (I-V), pero cuando es sometido a un alto voltaje el varistor trabaja con la más baja impedancia eléctrica.
El comportamiento de varistor es determinado por la densa microestructura del cerámico donde están localizados los procesos de conducción que ocurren entre granos. La alta conductividad no lineal es independiente de los detalles del procesamiento, pero en el proceso de fabricación aparecen efectos generales en la microestructura de los granos conductores, tales como pequeñas barreras aislantes de óxido como se observa en la figura 3.
Figura3. Microfotografía SEM/BEC [4]
La construcción básica de las pastillas de ZnO es la formación de granos de ZnO durante el proceso de sinterización. Durante éste proceso, varios elementos químicos son distribuidos uniformemente en la microestructura cerca a la región de límites de grano, contribuyendo a una alta resistividad (gb = 1010-1012
cm) y el interior de los granos contribuye a una alta conductividad (gb = 0.1-10 cm).
En cada límite de grano existen barreras de voltaje Vgb
del orden de 2-4 V por el límite de grano [4], la caída de voltaje es proporcional al inverso del tamaño de grano de ZnO.
3.3 Electrodos
Son capas de aluminio, de aproximadamente 100m, rociados en la superficie del ZnO. La energía no se disipa en el Aluminio [Al] por su alta conductividad comparativamente a la ZnO, el Al actúa como sumidero de calor, el cual distribuye la temperatura uniformemente como resultado de la alta conductividad térmica y pequeño espesor. El electrodo de aluminio causa un
gran gradiente de temperatura en la interfase Al-ZnO, éste gradiente de temperatura es también causa potencial de esfuerzo mecánico [5].
4. PARÁMETROS ELÉCTRICOS DE VARISTORES COMO DISPOSITIVOS DE PROTECCIÓN EN REDES ELÉCTRICAS.
La curva característica V-I o (E-J) juega un papel importante no solo en la selección del descargador, sino también en el proceso de coordinación de aislamiento del sistema eléctrico de potencia, esta curva característica contiene toda la información del comportamiento del descargador tanto en régimen permanente como en transitorio, posee tres zonas muy bien diferenciadas como se puede observar en la siguiente figura [4].
Figura4. Curva E-J de un varistor de ZnO. [4]
Región de corriente de fuga. Región de conmutación Región de alta corriente
Estas tres regiones están conectadas por dos puntos: El de conmutación que representa la transición del comportamiento capacitivo al resistivo, se le asocia el voltaje de referencia para una corriente de 0.38 mA/cm2. El de remonte, donde las propiedades del material pasan de ser dominadas por el borde del grano de ZnO a ser controladas por la resistividad del interior del grano, se suele denominar a las corrientes y voltajes asociados, como corriente de descargas y voltajes residuales [4]. En esta zona se cumple la expresión.
1 1 2 2
I
V
I
V
(2) 1, 2V V
Voltajes residuales, I1 y I2 corriente de descargacorrespondiente
La curva V-I aporta los parámetros de funcionamiento del varistor
(ln )
( )
(ln )
d
V
V
d
I
(3)La Corriente de fuga es la correspondiente a un voltaje tomado convencionalmente como el 80% del valor de VB
y proporciona una indicación acerca de la resistividad de los bordes del grano antes del punto de conmutación. La componente resistiva de la corriente de fuga corresponde a una resistencia de grano de 1012 Ω y es dependiente de la temperatura.
: contiene la información sobre el carácter no lineal del varistor.Elemento K
Elemento lineal I/R 1
SiC constante 0.25-0.16
ZnO constante 0.4-0.025
Tabla 1. Valor del coeficiente de linealidad para varios elementos
Las tres regiones de la curva V-I comúnmente son denominas como región de baja corriente, de ruptura y de alta corriente como se observa en la siguiente figura. En la definición de cada región se tiene en cuenta no solo la incidencia de la temperatura generada por la corriente de referencia y la corriente de descarga, como también el material del varistor.
4.1 Región de baja corriente
La resistividad del material depende de la temperatura, con un coeficiente negativo como se expresa en la siguiente ecuación:
exp(
/
)
o a
I
I
E
kT
(4)Esta ecuación muestra la corriente I para un voltaje constante y Ea es una energía de activación del orden de
0.8eV, k y T son respectivamente la constante de Bolztman y la temperatura absoluta.
Figura5.Regiones características de los varistores de ZnO [5]
En esta región la incidencia de la temperatura es baja y permite explicar de manera empírica el comportamiento del varistor.
4.3 Región de alta corriente
Esta región permite conocer la capacidad de protección del descargador para corrientes de descarga >1kA por los moles de grano de ZnO dopado [5].
Eléctricamente se puede suponer la estructura de un varistor como la unión de un semiconductor-aislante-semiconductor (SIS), con una capa intergranular entre barreras Schottky formadas en las superficies de los granos de ZnO considerados semiconductores tipo n como se muestra en la siguiente figura.
Figura 6. Microestructura de un varistor de ZnO [4]
La barrera Schottky puede ser atribuida a estados superficiales causados por los aditivos los cuales afectan fuertemente la propiedad no óhmica de los cerámicos de ZnO.
5. ESTABILIDAD TÉRMICA DE LOS DESCARGADORES DE ZNO
La estabilidad térmica de un descargador de ZnO está afectada por la temperatura ambiente, la capacidad de disipación de calor, la degradación por las múltiples descarga al cual es sometido y por el envejecimiento. La capacidad de absorción de energía térmica, es el máximo nivel de energía inyectada dentro del descargador, para el cual debe refrigerarse y alcanzar la temperatura de operación, y se puede expresar como:
(
)
T a
Q
C T T
(5) Donde:Q: capacidad de disipación térmica Ct: Factor de disipación térmica.
T: temperatura del varistor de ZnO Ta: temperatura ambiente.
La generación del calor se puede expresar como:
(Wc/KT)
P
Ae
(6) Donde:Wc: activación de la energía
K: constante de Boltzmann T: temperatura del varistor de ZnO
A: constante que depende del material y del voltaje aplicado.
La figura 6 muestra las pérdidas de potencia eléctrica debido a la aplicación del voltaje a frecuencia industrial, las cuales son función de la temperatura, a mayor temperatura mayor son las pérdidas de potencia, debido a su diseño el descargador disipa en el medio circundante una cantidad limitada de flujo de calor; ambas curvas flujo de calor y pérdidas de potencia tienen dos puntos comunes de intersección, el de la izquierda es un punto estable y en este punto se evacua el calor producido al exterior manteniéndose el balance térmico. La energía que se introduce eleva rápidamente la temperatura y el punto de operación se desplaza hacia la derecha siguiendo la curva de pérdidas de potencia, si se alcanza o se excede este punto el descargador se torna térmicamente inestable y puede llegar a la destrucción por sobrecalentamiento [6].
Figura 6.Proceso de la estabilidad térmica de un descargador de sobrevoltaje [6].
5.2 Degradación o envejecimiento del descargador de sobrevoltaje
El grado de degradación es un buen indicativo de la confiabilidad del descargador y es utilizado para predecir su vida útil. Una severa degradación puede producir una corriente de fuga de 1mA para voltajes a frecuencia industrial y condiciones ambientales. En la estructura cristalina del varistor de ZnO la degradación se entiende como la disminución de la barrera entre granos o barrera Schottky conllevando al aumento de la densidad de corriente para bajos gradientes de voltajes [7].
El valor típico más alto para la barrera Schottky en varistores de ZnO es aproximadamente 0.7 eV. Los varistores degradados muestran decrecimiento del coeficiente de no linealidad y aumento de la corriente de fuga. Los efectos de degradación se deben al aumento de la micro porosidad y a la pérdida de oxigeno al límite de grano de ZnO, la cual deforma la barrera de potencial tipo Schottky
6. Conclusiones
A 60 Hz en el varistor fluye una corriente sustancialmente capacitiva, cuando en sus terminales aparece un voltaje superior al nominal, se conmuta de un estado capacitivo a un estado conductor.
Frente transitorios de voltaje su impedancia es de bajo valor o óhmico, es un corto circuito para la red eléctrica donde esta instalado.
El factor de linealidad depende del material de composición del varistor, aporta información de la bondad del descargador como dispositivo de protección. La prueba de voltaje residual indica la capacidad de protección del descargador frente a un sobrevoltaje tipo atmosférico.
8. Bibliografía
[1] [6] Hileman R. Andrew.” Insulation Coordination for Power Systems” 2002.
[2] Norma Técnica Colombiana NTC 4389. Descargadores de sobretensiones (pararrayos) de óxido metálico sin espaciadores (without gaps) para sistemas de corriente alterna. ICONTEC 1998
[3] Siemens; Hinrichsen, Volker, “Descargadores de Sobretensiones de Óxido Metálico Fundamentos “. Berlín, septiembre de 2002.
[4] Fernández D, Cerdá S “Espectroscopía de admitancias de banda ancha aplicada al control microestructural de propiedades eléctricas en varistores cerámicos” Boletín de la Sociedad Española de Cerámica y Vidrio, ISSN 0366-3175, Vol. 43, Nº. 3, 2004
[5]Matsuoka, M,” Discovery of ZnO Varistor and their Progress for two Decades”, pp. 3-9 en Ceramics Transactions, Vol 3: Advances in varistor Technology. Ohio.
[6] ABB, “Descargadores de Sobretensiones de Alto Voltaje. Guía para el Comprador “. Edición 5, 2005. [7] G. E. Pike, “Semiconducting Polycrystalline Ceramics”; pp. 731-754 in Materials Science and Technology, Vol. 11. Edited by M. V. Swain. VCH, Weinheim, Germany, 1994.
[8] Yu. G. Gurevich.; G. Espejo-López I.” Corriente eléctrica de portadores calientes en semiconductores intrínsecos: desequilibrio en la concentración”, Revista Mexicana de Física, No. 006, noviembre 2004.
Clara Rosa Rojo Ceballos. Ingeniera Electricista de la Universidad Nacional de Colombia, Sede Medellín. MSc, Universidad del Valle. Candidata a Doctorado en la Universidad Nacional de Colombia Sede Medellín, docente de la misma universidad.
Directora del Laboratorio de Alto Voltaje de la Facultad de Minas., Directora Grupo de investigación Alto Voltaje,
Gabriel Jaime Cardona Zapata Ingeniero Electricista de la Universidad Nacional de Colombia, Sede Medellín. Especialista en Gerencia de Proyectos, Universidad Pontifica Bolivariana. Profesional Técnico de las Empresas Públicas de Medellín.
Se desempeño durante largo tiempo como Profesional de Laboratorio en el área de eléctrica, para el Equipo de Asistencia Técnica e Investigación Calidad de las EPM. Actualmente desarrolla su Especialización en Transmisión y Distribución de Energía Eléctrica.
