Recerca sobre les característiques d'arc i interrupció de les unitats principals anulars aïllades amb gas ecològic

Les unitats de distribució en anell aïllades amb gas ecològiques (RMUs) són equips importants de distribució d'energia en sistemes elèctrics, caracteritzades per ser verdes, respectuoses amb l'ambient i de gran fiabilitat. Durant la seva operació, les característiques de formació i interrupció d'arc afecten significativament la seguretat de les RMUs aïllades amb gas ecològic. Per tant, una recerca en profunditat sobre aquests aspectes és d'una gran importància per assegurar el funcionament segur i estable dels sistemes d'energia. Aquest article té com a objectiu investigar les característiques de formació i interrupció d'arc de les RMUs aïllades amb gas ecològic mitjançant proves experimentals i anàlisi de dades, explorant els seus patrons i característiques, amb l'objectiu de proporcionar suport teòric i orientació tècnica per a la recerca i desenvolupament d'aquest tipus d'equipament.

1. Recerca sobre les característiques de formació d'arc de les unitats de distribució en anell aïllades amb gas ecològic

1.1 Conceptes bàsics i factors d'influència dels gasos ecològics

Els gasos ecològics es refereixen als gasos que no esgoten la capa d'ozó. Exemples comuns inclouen el nitrogen (N₂), l'aire comprimit sec (desengrassat i deshumidificat) i nous gasos formulats especialment. Les RMUs aïllades amb gas ecològic ofereixen avantatges com ara la respectuositat ambiental, la seguretat i la fiabilitat, i són, per tant, ampliament utilitzades en sistemes d'energia. Estudiar les seves característiques de formació d'arc requereix entendre els conceptes bàsics i els factors d'influència dels gasos ecològics. 

Les propietats físiques i químiques, la estructura molecular, la temperatura, la pressió, l'humitat i altres factors influeixen en el rendiment aïllant i el comportament de formació d'arc d'aquests gasos, que han de ser investigats experimentalment. A més, cal abordar reptes pràctics com el volum de consum de gas i la reciclabilitat. Per tant, un estudi en profunditat dels conceptes bàsics i els factors d'influència dels gasos ecològics és essencial per investigar les característiques de formació d'arc en RMUs aïllades amb gas ecològic.

1.2 Mètodes de recerca i configuració de proves per a les característiques de formació d'arc

Investigar les característiques de formació d'arc requereix establir una metodologia de prova estandarditzada i una configuració experimental. Els mètodes de prova solen incloure proves elèctriques basades en fenòmens d'arc i anàlisi química. La configuració de prova ha de garantir la repetibilitat, la precisió i la seguretat, generalment consta d'una font d'altes tensions, una cambra d'arc, instruments de mesura i un sistema d'adquisició de dades. La cambra d'arc és un component crític, que simula el procés real de formació d'arc dins d'una RMU aïllada amb gas ecològic. Per estudiar eficientment les característiques d'arc, la configuració ha de proporcionar nivells adequats de tensió i corrent i permetre l'enregistrament en temps real de paràmetres com la tensió d'arc, la corrent, la durada i els subproductes. També s'han de implementar mesures de seguretat adequades per prevenir accidents durant les proves.

1.3 Proves i anàlisi de la corrent, la tensió i la durada d'arc
A les recerques sobre característiques d'arc, la corrent d'arc, la tensió d'arc i la durada d'arc són paràmetres clau. La corrent d'arc fa referència a la magnitud de la corrent que passa a través de la regió d'arc durant l'arcing; la tensió d'arc és la diferència de potencial a través de la regió d'arc; i la durada d'arc és el interval de temps des de l'inici fins a l'extinció de l'arc. Mesurar aquests paràmetres requereix instruments especialitzats com generadors d'altes tensions, transformadors de corrent, transformadors de tensió i oscil·loscopis digitals. Les proves experimentals i la recol·lecció de dades d'aquests paràmetres en RMUs aïllades amb gas ecològic, seguit de l'anàlisi de dades, ajuden a revelar tendències i relacions, així contribuint a endinsar la comprensió de les característiques de formació d'arc i proporcionant dades fonamentals per a recerques posteriors.

1.4 Anàlisi dels subproductes d'arc durant l'arcing
Durant l'arcing en RMUs aïllades amb gas ecològic, es generen diversos subproductes, com òxids, fluorurs, clorurs i fum, que poden suposar riscos per a l'ambient i la salut humana. Actualment, s'utilitzen dos enfocaments principals per analitzar els subproductes d'arc: anàlisi experimental i simulació numèrica. L'anàlisi experimental implica simular el procés d'arcing en un laboratori, recollir mostres de subproductes i realitzar anàlisis químics per determinar les distribucions d'especies i concentracions. La simulació numèrica utilitza models computacionals per predir la distribució de subproductes i les vies de reacció. 

Tècniques d'anàlisi com la cromatografia, la espectrometria de masses i la microscòpia electrònica s'utilitzen en l'anàlisi experimental. En la simulació numèrica, es fan servir mètodes com l'anàlisi d'elements finits i la CFD (Dinàmica de Fluids Computacional) per modelar la distribució de subproductes i mecanismes de reaccions químiques durant l'arcing. Els resultats de l'anàlisi de subproductes milloren la comprensió de les reaccions químiques i la conversió d'energia durant l'arcing, proporcionant suport teòric i tècnic per al disseny i aplicació de RMUs aïllades amb gas ecològic, així com dades de referència per a la monitorització ambiental i la seguretat del personal.

2. Recerca sobre les característiques d'interrupció de les unitats de distribució en anell aïllades amb gas ecològic

2.1 Conceptes bàsics i factors d'influència dels fenòmens d'interrupció
2.1.1 Mètodes de prova d'interrupció
La prova d'interrupció és un pas crític en l'estudi de les característiques d'interrupció de RMUs aïllades amb gas ecològic. Normalment es duu a terme mitjançant mètodes experimentals convencionals o simulació numèrica. Els mètodes convencionals impliquen construir una plataforma de prova d'interrupció i variar les condicions de prova (per exemple, corrent, tensió) per observar el comportament d'interrupció i recollir dades experimentals. D'altra banda, la simulació numèrica utilitza models informàtics per simular fenòmens físics durant l'interrupció, permetent la generació ràpida de grans conjunts de dades i la predicció del rendiment d'interrupció.

2.1.2 Configuració del test
Per estudiar les característiques d'interrupció, s'ha de dissenyar i construir una configuració de test dedicada. Aquesta configuració inclou un subministrament d'alta tensió, equips de commutació i instruments de mesura. El subministrament d'alta tensió proporciona energia al dispositiu de commutació, que realitza la operació d'interrupció real, mentre els instruments mesuren i enregistren les característiques d'interrupció.

2.1.3 Prova i anàlisi dels paràmetres de les característiques d'interrupció
La recerca sobre les característiques d'interrupció requereix provar i analitzar paràmetres com ara la corrent, la tensió i el temps durant el procés d'interrupció. Aquests paràmetres són indicadors clau per avaluar el rendiment de l'interrupció. La corrent i la tensió descriuen el comportament elèctric durant l'interrupció, mentre que el temps reflecteix la dinàmica temporal. L'anàlisi d'aquests paràmetres revela informació crítica com les tendències de variació de la corrent i la tensió d'interrupció, la durada de l'interrupció i el rendiment general.

2.2 Mètodes de recerca i configuració de prova per a les característiques d'interrupció
Els mètodes habituals per estudiar les característiques d'interrupció de les RMU amb aïllament a gas ecològic inclouen proves d'interrupció convencionals i simulacions numèriques avançades. Les proves convencionals impliquen establir dispositius de commutació i càrrega en un banc de prova, variar els paràmetres del subministrament (tensió, corrent, etc.), observar els processos transitoris durant l'interrupció i registrar paràmetres com la corrent, la tensió i el temps per al processament i anàlisi de dades. 

En comparació amb les proves convencionals, les simulacions numèriques ofereixen una major precisió en la modelització de les característiques d'interrupció. Utilitzant tècniques de simulació i modelització per ordinador, els mètodes numèrics resolen camps físics clau, com ara el camp elèctric, el camp magnètic, el camp de temperatura i el camp de flux, durant l'interrupció, tenint en compte diversos factors inclosos la corrent, la tensió, l'espaiat entre els electrodos i la temperatura ambiental. A més, les simulacions numèriques permeten optimitzar el disseny de les RMU ajustant les propietats del material i les configuracions geomètriques.
Per a la configuració de prova, els subministraments d'alta tensió DC i les unitats de descàrrega de condensadors d'alta potència poden proporcionar les condicions necessàries d'alta tensió i alta corrent. S'utilitzen sistemes d'adquisició de dades d'alta velocitat i registradors per capturar amb precisió els paràmetres d'interrupció. Per assegurar la repetibilitat i la precisió, la configuració de prova ha de ser calibrada i validada.

2.3 Prova i anàlisi de la corrent, la tensió i el temps d'interrupció
Provar i analitzar la corrent, la tensió i el temps d'interrupció és una part crucial de l'estudi de les característiques d'interrupció.
(1) Objectiu de la prova: Comprendre les característiques d'interrupció de les RMU amb aïllament a gas ecològic mitjançant la prova i l'anàlisi de la corrent, la tensió i el temps d'interrupció, avaluar el seu rendiment en condicions reals d'operació i proporcionar una base per a l'ús i millora de l'equipament.
(2) Equip de prova: S'utilitzen ampermetres digitals, transformadors de tensió, instruments de mesura de temps, oscil·loscopis i sistemes d'adquisició de dades per assegurar la mesura precisa de la corrent, la tensió i el temps durant l'interrupció.
(3) Procediments de prova:

• Prova de corrent d'interrupció: Realitzeu l'interrupció en condicions estàndard de prova, registreu les formes d'ona de la corrent i assegureu-vos de la connexió adequada entre l'equip de prova i la RMU. Mesureu les variacions de la corrent utilitzant transformadors de corrent i ampermetres digitals.

• Prova de tensió d'interrupció: De manera similar, realitzeu l'interrupció en condicions estàndard, registreu les formes d'ona de la tensió i mesureu els canvis de tensió utilitzant transformadors de tensió i voltmetres digitals.

• Prova de temps d'interrupció: Utilitzeu instruments de mesura de temps per registrar amb precisió l'interval de temps des de l'inici fins a la finalització de l'operació d'interrupció.

• Prova del procés transitori: Utilitzeu oscil·loscopis i sistemes d'adquisició de dades per capturar les formes d'ona de la corrent i la tensió transitories durant l'interrupció per a l'anàlisi de les característiques transitories.

(4) Registre de dades i anàlisi: Registreu les formes d'ona de la corrent, les formes d'ona de la tensió, les dades de temps d'interrupció i les formes d'ona transitories. Analitzeu si la corrent d'interrupció compleix els requisits d'enginyeria, si la tensió d'interrupció compleix les especificacions i si el temps d'interrupció satisfà els criteris de disseny. Avalieu l'impacte dels processos transitories en el rendiment i la estabilitat de l'equipament. Gràcies als procediments de prova detallats anteriorment, la consideració completa de tots els factors rellevants assegura la recopilació precisa de dades i l'anàlisi en profunditat. Els resultats es mostren a la Taula 1.

Taula 1: Prova i anàlisi dels paràmetres de corrent, tensió i temps

A través de l'anàlisi de la Taula 1, es poden extreure les següents conclusions:

• Hi ha una certa relació entre la corrent d'interrupció i el voltatge; generalment, la corrent d'interrupció augmenta quan el voltatge augmenta.

• El temps d'interrupció està relacionat amb la corrent i el voltatge; més alta és la corrent i el voltatge, més curt és el temps d'interrupció.

• Durant la prova, s'ha de prestar atenció al control de l'interval de corrent i voltatge durant l'interrupció per evitar inexactituds en els resultats de la prova causades per valors massa alts o baixos. A més, també s'han de tenir en compte altres factors d'influència, com la temperatura ambiental i l'humitat.

2.4 Anàlisi del camp electromagnètic durant el procés d'interrupció
Per a l'anàlisi del camp electromagnètic durant el procés d'interrupció de les unitats de distribució anular aïllades amb gas ecològic, cal establir un dispositiu de prova per realitzar mesures i anàlisis del camp electromagnètic. En l'experiment, es pot configurar un sistema de mesura del camp electromagnètic per provar i registrar el camp electromagnètic durant el procés d'interrupció, tal com es mostra a la Taula 2.

Taula 2: Anàlisi del camp electromagnètic durant el procés de ruptura

L'anàlisi de les variacions del camp electromagnètic durant el procés d'interrupció basada en la Taula 2 revela que en el moment de l'interrupció, la corrent cau bruscament a zero, i la intensitat del camp magnètic disminueix també de manera aguda. Posteriorment, la intensitat del camp magnètic es recupera gradualment fins a l'estat previ a l'interrupció. L'anàlisi del camp electromagnètic pot proporcionar dades de referència importants per al disseny i optimització de quadres de distribució anulars aïllats amb gas ecològic.

3.Anàlisi dels resultats de la recerca sobre les característiques de l'arc voltaica i l'interrupció
3.1 Anàlisi i processament de paràmetres durant els processos d'arc voltaica i interrupció
Durant els ensayos d'arc voltaica i interrupció, es van mesurar separadament paràmetres com la corrent, el voltatge i el temps per analitzar les característiques de l'arc voltaica i l'interrupció. En el processament de dades, es van utilitzar mètodes estadístics per calcular la mitjana, la desviació estàndard i el coeficient de variació per a cada paràmetre.

① Les dades dels ensayos d'arc voltaica es van analitzar i processar. Els valors mitjans de la corrent d'arc, el voltatge i el temps van ser 8,5 kA, 4,2 kV i 2,5 ms, respectivament. Es van calcular també les desviacions estàndard i els coeficients de variació per entendre la distribució i la estabilitat de les dades dels ensayos. Els resultats van mostrar que la desviació estàndard de la corrent d'arc era de 0,8 kA amb un coeficient de variació del 9,4%; la desviació estàndard del voltatge d'arc era de 0,4 kV amb un coeficient de variació del 9,5%; i la desviació estàndard del temps d'arc era de 0,2 ms amb un coeficient de variació del 8,0%. Això indica que les dades dels ensayos d'arc voltaica presentaven una distribució relativament estable i una alta fiabilitat.

② Les dades dels ensayos d'interrupció es van analitzar i processar. Els valors mitjans de la corrent d'interrupció, el voltatge i el temps van ser 3,5 kA, 3,8 kV i 3,0 ms, respectivament. De manera similar, es van calcular les desviacions estàndard i els coeficients de variació. Els resultats van mostrar que la desviació estàndard de la corrent d'interrupció era de 0,5 kA amb un coeficient de variació del 14,3%; la desviació estàndard del voltatge d'interrupció era de 0,3 kV amb un coeficient de variació del 7,9%; i la desviació estàndard del temps d'interrupció era de 0,1 ms amb un coeficient de variació del 4,4%. Això suggerix que les dades dels ensayos d'interrupció eren relativament menys estables i tenien una menor fiabilitat.

Basant-nos en l'anàlisi de les dades anterior, es pot concluir que la fiabilitat de les dades dels ensayos d'arc voltaica és superior a la de les dades dels ensayos d'interrupció, possiblement a causa dels camps electromagnètics complexos implicats en el procés d'interrupció, el que justifica una investigació més a fons. Addicionalment, es pot explorar més endavant la relació entre les característiques d'arc voltaica i d'interrupció basant-se en les dades dels ensayos.

3.2 Anàlisi de la relació entre les característiques d'arc voltaica i d'interrupció
A través de l'anàlisi i el processament de paràmetres tant de l'arc voltaica com de l'interrupció, es pot estudiar més a fons la relació entre les característiques d'arc voltaica i d'interrupció. Tanto les característiques d'arc voltaica com les d'interrupció són indicadors clau de rendiment dels quadres de distribució anulars aïllats amb gas ecològic, i comprendre la seva interrelació pot proporcionar orientacions valuoses per al disseny i optimització.

Des del punt de vista de les característiques d'arc voltaica i d'interrupció, paràmetres com la corrent, el voltatge i el temps afecten diferentment els dos processos. Durant l'arc voltaica, la corrent d'arc i la durada són els paràmetres principals, mentre que el voltatge també té una certa influència. En canvi, durant l'interrupció, la corrent d'interrupció és el paràmetre dominant, amb el temps i el voltatge també jugant un paper. Per tant, quan s'analitza la relació entre les característiques d'arc voltaica i d'interrupció, cal considerar separadament els seus paràmetres clau respectius.

L'anàlisi de dades mostra una certa correlació entre les característiques d'arc voltaica i d'interrupció:

• Un increment de la corrent i el voltatge d'arc voltaica provoca una major generació de subproductes de l'arc i un consum d'energia més elevat durant l'arc voltaica, augmentant així la dificultat de l'interrupció.

• Un increment de la corrent d'interrupció provoca una major energia de l'arc durant l'interrupció, augmentant també la dificultat de l'interrupció.

Més a més, l'anàlisi del camp electromagnètic durant l'arc voltaica i l'interrupció revela que els camps electromagnètics influeixen significativament en tots dos processos. Durant l'arc voltaica, el camp electromagnètic exerceix una força de contenció que limita la difusió de l'arc. Durant l'interrupció, el camp electromagnètic genera una força repulsiva que allunya l'arc, afectant el rendiment de l'interrupció.

Aquests resultats indiquen que les característiques d'arc voltaica i d'interrupció estan interrelacionades, principalment influenciades pels seus paràmetres operatius clau i els efectes del camp electromagnètic. Per tant, en el disseny i optimització dels quadres de distribució anulars aïllats amb gas ecològic, s'hauria de considerar de manera integral la relació entre les característiques d'arc voltaica i d'interrupció, i els dissenys haurien de ser adaptats a escenaris d'aplicació específics per assolir un rendiment òptim.

4.Conclusió

A través de l'estudi de les característiques d'arc voltaica i d'interrupció dels quadres de distribució anulars aïllats amb gas ecològic, es pot concluir que aquestes característiques difereixen significativament de les dels quadres de distribució anulars aïllats amb SF₆ tradicionals. Els RMUs aïllats amb gas ecològic imposen requisits més estrictes als paràmetres com la corrent, el voltatge i el temps, necessitant un disseny i optimització més precisos. A més, la distribució del camp electromagnètic durant l'arc voltaica i l'interrupció és diferent: durant l'arc voltaica, el camp electromagnètic és més concentrat i intèns, mentre que durant l'interrupció, és més uniforme.

A mesura que la aplicació dels quadres de distribució anulars aïllats amb gas ecològic continua expandint-se, les futures recerques podrien centrar-se en els següents aspectes:

• Optimitzar el disseny dels RMUs aïllats amb gas ecològic a través de l'anàlisi per simulació.

• Investigar les característiques d'arc voltaica i d'interrupció en diverses condicions d'operació.

• Explorar el potencial d'aplicació de nous gasos ecològics en els quadres de distribució anulars aïllats.

En resum, aquests resultats de recerca són d'una gran importància per a l'avanç en el desenvolupament i optimització de les unitats principals anulars aïllades amb gas ecològiques.