Las bocinas de arco (a veces arc-horns ) son conductores salientes que se utilizan para proteger los aisladores o el hardware de conmutación en sistemas de transmisión de energía eléctrica de alto voltaje de daños durante descargas disruptivas . Las sobretensiones en líneas de transmisión, debido a la electricidad atmosférica , rayos o fallas eléctricas, pueden causar arcos a través de aisladores (descargas disruptivas) que pueden dañarlos. Alternativamente, las condiciones atmosféricas o los transitorios que ocurren durante la conmutación pueden hacer que se forme un arco en la ruta de ruptura de un interruptor durante su funcionamiento. Las bocinas de arco proporcionan una ruta para que se produzca una descarga disruptiva que evita la superficie del dispositivo protegido. [1] Las bocinas normalmente se emparejan a cada lado de un aislador, una conectada a la parte de alto voltaje y la otra a tierra , o en el punto de ruptura de un contacto de interruptor. Se las ve con frecuencia en cadenas de aisladores en líneas aéreas o protegiendo bujes de transformadores .
Los cuernos pueden adoptar diversas formas, como simples varillas cilíndricas, anillos de protección circulares o curvas contorneadas, a veces conocidas como "estribos".
Los equipos de alta tensión , en particular los que se instalan en el exterior, como las líneas eléctricas aéreas , suelen estar sujetos a sobretensiones transitorias , que pueden ser causadas por fenómenos como la caída de rayos , fallas en otros equipos o sobretensiones de conmutación durante la reenergización del circuito. [2] Los eventos de sobretensión como estos son impredecibles y, en general, no se pueden prevenir por completo. Las terminaciones de línea, en las que una línea de transmisión se conecta a una barra colectora o a un pasatapas de transformador, corren un mayor riesgo de sobretensión debido al cambio en la impedancia característica en este punto. [3]
Un aislante eléctrico sirve para proporcionar separación física de las partes conductoras y, en condiciones normales de funcionamiento, está continuamente sujeto a un alto campo eléctrico que ocupa el aire que rodea al equipo. Los eventos de sobretensión pueden hacer que el campo eléctrico supere la rigidez dieléctrica del aire y dé como resultado la formación de un arco entre las partes conductoras y sobre la superficie del aislante. [1] Esto se llama descarga disruptiva. La contaminación de la superficie del aislante reduce la resistencia a la ruptura y aumenta la tendencia a la descarga disruptiva. En un sistema de transmisión eléctrica, se espera que los relés de protección detecten la formación del arco y abran automáticamente los disyuntores para descargar el circuito y extinguir el arco. En el peor de los casos, este proceso puede tardar varios segundos, durante los cuales la superficie del aislante estaría en estrecho contacto con el plasma altamente energético del arco. Esto es muy dañino para un aislante y puede romper discos de vidrio o cerámica frágiles, lo que da como resultado su falla total.
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Los cuernos de arco forman un espacio de chispa a través del aislador con un voltaje de ruptura más bajo que el camino del aire a lo largo de la superficie del aislador, por lo que un sobrevoltaje hará que el aire se rompa y se forme el arco entre los cuernos de arco, desviándolo de la superficie del aislador. [3] Un arco entre los cuernos es más tolerable para el equipo, proporcionando más tiempo para que se detecte la falla y el arco se elimine de manera segura mediante disyuntores remotos. La geometría de algunos diseños alienta al arco a migrar lejos del aislador, impulsado por corrientes ascendentes a medida que calienta el aire circundante. A medida que lo hace, la longitud del camino aumenta, enfriando el arco, reduciendo el campo eléctrico y haciendo que el arco se extinga cuando ya no puede abarcar el espacio. Otros diseños pueden utilizar el campo magnético producido por la alta corriente para alejar el arco del aislador. [4] Este tipo de disposición puede conocerse como explosión magnética .
Los criterios de diseño y los regímenes de mantenimiento pueden considerar a las bocinas de arco como equipos de sacrificio, más económicos y fáciles de reemplazar que el aislador, cuya falla puede provocar la destrucción completa del equipo que aísla. La falla de las cadenas de aisladores en líneas aéreas puede provocar la división de la línea, con importantes implicaciones en términos de seguridad y costos.
Por lo tanto, las bocinas de arco desempeñan un papel en el proceso de correlación de la protección del sistema con las características del dispositivo de protección, conocido como coordinación del aislamiento. Las bocinas deben proporcionar, entre otras características, una impedancia casi infinita durante las condiciones normales de funcionamiento para minimizar las pérdidas de corriente conductiva, una baja impedancia durante el arco y una resistencia física a la alta temperatura del arco. [5]
A medida que aumentan los voltajes de operación, se debe prestar mayor atención a dichos principios de diseño. En voltajes medios, se puede omitir una de las dos bocinas, ya que de lo contrario el espacio entre bocinas puede ser lo suficientemente pequeño como para que un pájaro que se pose pueda atravesarlo. [6] Alternativamente, se pueden instalar espacios dúplex que consten de dos secciones en lados opuestos del aislador. [3] Los sistemas de distribución de bajo voltaje, en los que el riesgo de arco eléctrico es mucho menor, pueden no utilizar bocinas de arco eléctrico en absoluto.
La presencia de los cuernos de arco necesariamente altera la distribución normal del campo eléctrico a través del aislador debido a su pequeña pero significativa capacitancia . Más importante aún, una descarga disruptiva a través de los cuernos de arco produce una falla a tierra que resulta en una interrupción del circuito hasta que la falla se elimina mediante la operación del disyuntor. Por esta razón, las resistencias no lineales conocidas como varistores pueden reemplazar a los cuernos de arco en ubicaciones críticas. [3]
Si los cuernos están colocados incorrectamente, puede producirse un calentamiento resistivo dañino durante el arco eléctrico.
En ocasiones, se instalan bocinas de arco en los transformadores y cuadros de distribución con aislamiento de aire para proteger el brazo del interruptor de daños por arco. Cuando un interruptor de alta tensión interrumpe un circuito, se puede generar un arco entre los contactos del interruptor antes de que se pueda interrumpir la corriente . Las bocinas están diseñadas para soportar el arco en lugar de las superficies de contacto del propio interruptor. [7] [8]
Los cuernos de arco no deben confundirse con los anillos de corona (o anillos de graduación similares), que son conjuntos con forma de anillo que rodean los conectores u otras piezas de hardware irregulares en equipos de alto potencial. Los anillos de corona y los anillos de graduación tienen como objetivo igualar y redistribuir el potencial acumulado lejos de los componentes que podrían estar sujetos a acumulación local y descargas destructivas, aunque a veces cualquiera de los dos dispositivos puede instalarse cerca de un conjunto de cuerno de arco.