Investigación sobre las Características de Arco y Interrupción de Unidades de Distribución en Anillo con Aislamiento a Gas Ecológico

Las unidades de anillo de gas aislado ecológico (RMUs) son equipos importantes de distribución de energía en sistemas eléctricos, que presentan características verdes, respetuosas con el medio ambiente y de alta confiabilidad. Durante su operación, las características de formación y interrupción del arco afectan significativamente la seguridad de las RMUs de gas aislado ecológico. Por lo tanto, la investigación en profundidad de estos aspectos es de gran importancia para garantizar la operación segura y estable de los sistemas de energía. Este artículo tiene como objetivo investigar las características de formación e interrupción del arco en las RMUs de gas aislado ecológico a través de pruebas experimentales y análisis de datos, explorando sus patrones y características, con el objetivo de proporcionar soporte teórico y orientación técnica para la investigación y desarrollo de este tipo de equipos.

1.Investigación sobre las Características de Formación de Arco en Unidades de Anillo de Gas Aislado Ecológico

1.1 Conceptos Básicos y Factores Influyentes de los Gases Ecológicos

Los gases ecológicos se refieren a aquellos que no agotan la capa de ozono. Ejemplos comunes incluyen nitrógeno (N₂), aire comprimido seco (desengrasado y deshumidificado) y gases nuevos especialmente formulados. Las RMUs de gas aislado ecológico ofrecen ventajas como ser amigables con el medio ambiente, seguras y confiables, por lo que se utilizan ampliamente en sistemas de energía. El estudio de sus características de formación de arco requiere comprender los conceptos básicos y factores influyentes de los gases ecológicos. 

Las propiedades físicas y químicas, la estructura molecular, la temperatura, la presión, la humedad y otros factores influyen en el rendimiento aislante y el comportamiento de formación de arco de estos gases, que deben investigarse experimentalmente. Además, se deben abordar desafíos prácticos como el volumen de consumo de gas y la capacidad de reciclaje. Por lo tanto, un estudio en profundidad de los conceptos fundamentales y factores influyentes de los gases ecológicos es esencial para investigar las características de formación de arco en las RMUs de gas aislado ecológico.

1.2 Métodos de Investigación y Configuración de Pruebas para las Características de Formación de Arco

La investigación de las características de formación de arco requiere establecer una metodología de prueba estandarizada y una configuración experimental. Los métodos de prueba generalmente incluyen pruebas eléctricas basadas en fenómenos de arco y análisis químico. La configuración de la prueba debe asegurar repetibilidad, precisión y seguridad, generalmente comprendiendo una fuente de alta tensión, una cámara de arco, instrumentos de medición y un sistema de adquisición de datos. La cámara de arco es un componente crítico, simulando el proceso real de formación de arco dentro de una RMU de gas aislado ecológico. Para estudiar eficazmente las características del arco, la configuración debe proporcionar niveles adecuados de voltaje y corriente y permitir el registro en tiempo real de parámetros como el voltaje, la corriente, la duración del arco y los subproductos. También deben implementarse medidas de seguridad adecuadas para prevenir accidentes durante las pruebas.

1.3 Pruebas y Análisis de Corriente, Voltaje y Duración del Arco
En los estudios de características de arco, la corriente, el voltaje y la duración del arco son parámetros clave. La corriente de arco se refiere a la magnitud de la corriente que fluye a través de la región de arco durante el arco; el voltaje de arco es la diferencia de potencial a través de la región de arco; y la duración del arco es el intervalo de tiempo desde la iniciación hasta la extinción del arco. Medir estos parámetros requiere instrumentos especializados como generadores de alta tensión, transformadores de corriente, transformadores de voltaje y osciloscopios digitales. Las pruebas experimentales y la recolección de datos sobre estos parámetros en las RMUs de gas aislado ecológico, seguidas del análisis de datos, ayudan a revelar tendencias e interrelaciones, profundizando así la comprensión de las características de formación de arco y proporcionando datos fundamentales para futuras investigaciones.

1.4 Análisis de Subproductos del Arco Durante el Arco
Durante el arco en las RMUs de gas aislado ecológico, se generan diversos subproductos, como óxidos, fluoruros, cloruros y humo, que pueden representar riesgos para el medio ambiente y la salud humana. Actualmente, se utilizan dos enfoques principales para analizar los subproductos del arco: análisis experimental y simulación numérica. El análisis experimental implica simular el proceso de arco en un laboratorio, recoger muestras de subproductos y realizar análisis químico para determinar las distribuciones de especies y concentraciones. La simulación numérica utiliza modelos computacionales para predecir la distribución de subproductos y rutas de reacción. 

Técnicas analíticas como la cromatografía, la espectrometría de masas y la microscopía electrónica se emplean en el análisis experimental. En la simulación numérica, se utilizan métodos como el análisis por elementos finitos y CFD (Dinámica de Fluidos Computacional) para modelar la distribución de subproductos y mecanismos de reacción química durante el arco. Los resultados del análisis de subproductos mejoran la comprensión de las reacciones químicas y la conversión de energía durante el arco, proporcionando soporte teórico y técnico para el diseño y aplicación de las RMUs de gas aislado ecológico, así como datos de referencia para la vigilancia ambiental y la seguridad del personal.

2. Investigación sobre las Características de Interrupción en Unidades de Anillo de Gas Aislado Ecológico

2.1 Conceptos Básicos y Factores Influyentes de los Fenómenos de Interrupción
2.1.1 Métodos de Prueba de Interrupción
La prueba de interrupción es un paso crucial en el estudio de las características de interrupción de las RMUs de gas aislado ecológico. Generalmente se realiza utilizando métodos experimentales convencionales o simulación numérica. Los métodos convencionales implican construir una plataforma de prueba de interrupción y variar las condiciones de prueba (por ejemplo, corriente, voltaje) para observar el comportamiento de interrupción y recopilar datos experimentales. La simulación numérica, por otro lado, utiliza modelos de computadora para simular fenómenos físicos durante la interrupción, permitiendo la generación rápida de grandes conjuntos de datos y la predicción del rendimiento de interrupción.

2.1.2 Configuración de la prueba
Para estudiar las características de interrupción, se debe diseñar y construir una configuración de prueba de interrupción dedicada. Esta configuración incluye un suministro de energía de alta tensión, equipos de conmutación e instrumentos de medición. El suministro de energía de alta tensión proporciona energía al dispositivo de conmutación, que realiza la operación de interrupción real, mientras que los instrumentos miden y registran las características de interrupción.

2.1.3 Prueba y análisis de parámetros característicos de interrupción
La investigación de las características de interrupción requiere probar y analizar parámetros como corriente, voltaje y tiempo durante el proceso de interrupción. Estos parámetros son indicadores clave para evaluar el rendimiento de la interrupción. La corriente y el voltaje describen el comportamiento eléctrico durante la interrupción, mientras que el tiempo refleja la dinámica temporal. Analizar estos parámetros revela información crítica como tendencias de variación de la corriente y el voltaje de interrupción, duración de la interrupción y rendimiento general.

2.2 Métodos de investigación y configuración de pruebas para características de interrupción
Los métodos comunes para estudiar las características de interrupción de RMUs (unidades de montaje en rack) aisladas por gas ecológico incluyen pruebas de interrupción convencionales y simulaciones numéricas avanzadas. Las pruebas convencionales implican configurar dispositivos de conmutación y carga en un banco de pruebas, variar los parámetros del suministro de energía (voltaje, corriente, etc.), observar procesos transitorios durante la interrupción y registrar parámetros como corriente, voltaje y tiempo para su procesamiento y análisis de datos. 

En comparación con las pruebas convencionales, las simulaciones numéricas ofrecen mayor precisión en la modelización de las características de interrupción. Utilizando técnicas de simulación y modelado por computadora, los métodos numéricos resuelven campos físicos clave, como el campo eléctrico, el campo magnético, el campo térmico y el campo de flujo, durante la interrupción, teniendo en cuenta múltiples factores, incluyendo corriente, voltaje, espaciado de electrodos y temperatura ambiente. Además, las simulaciones numéricas permiten optimizar el diseño de los RMUs ajustando las propiedades de los materiales y las configuraciones geométricas.
Para la configuración de la prueba, los suministros de energía de corriente directa de alta tensión y las unidades de descarga de condensadores de alta potencia pueden proporcionar las condiciones necesarias de alta tensión y alta corriente. Se utilizan sistemas de adquisición de datos de alta velocidad y grabadoras para capturar con precisión los parámetros de interrupción. Para garantizar la repetibilidad y precisión, la configuración de la prueba debe ser calibrada y validada.

2.3 Prueba y análisis de corriente, voltaje y tiempo de interrupción
La prueba y análisis de la corriente, el voltaje y el tiempo de interrupción es una parte crucial del estudio de las características de interrupción.
(1) Objetivo de la prueba: Comprender las características de interrupción de los RMUs aislados por gas ecológico mediante la prueba y análisis de la corriente, el voltaje y el tiempo de interrupción, evaluar su rendimiento en condiciones de operación reales y proporcionar una base para la utilización y mejora del equipo.
(2) Equipamiento de prueba: Se utilizan amperímetros digitales, transformadores de voltaje, instrumentos de medición de tiempo, osciloscopios y sistemas de adquisición de datos para asegurar una medición precisa de la corriente, el voltaje y el tiempo durante la interrupción.
(3) Procedimientos de prueba:

• Prueba de corriente de interrupción: Realizar la interrupción bajo condiciones de prueba estándar, registrar las formas de onda de corriente y asegurar la conexión adecuada entre el equipamiento de prueba y el RMU. Medir las variaciones de corriente utilizando transformadores de corriente y amperímetros digitales.

• Prueba de voltaje de interrupción: De manera similar, realizar la interrupción bajo condiciones estándar, registrar las formas de onda de voltaje y medir los cambios de voltaje utilizando transformadores de voltaje y voltímetros digitales.

• Prueba de tiempo de interrupción: Utilizar instrumentos de medición de tiempo para registrar con precisión el intervalo de tiempo desde el inicio hasta la finalización de la operación de interrupción.

• Prueba de proceso transitorio: Utilizar osciloscopios y sistemas de adquisición de datos para capturar las formas de onda de corriente y voltaje transitorias durante la interrupción para el análisis de las características transitorias.

(4) Registro y análisis de datos: Registrar las formas de onda de corriente, las formas de onda de voltaje, los datos de tiempo de interrupción y las formas de onda transitorias. Analizar si la corriente de interrupción cumple con los requisitos de ingeniería, si el voltaje de interrupción cumple con las especificaciones y si el tiempo de interrupción satisface los criterios de diseño. Evaluar el impacto de los procesos transitorios en el rendimiento y la estabilidad del equipo. A través de los procedimientos de prueba detallados anteriores, la consideración integral de todos los factores relevantes asegura la recolección precisa de datos y un análisis en profundidad. Los resultados se muestran en la Tabla 1.

Tabla 1: Prueba y análisis de parámetros de corriente, voltaje y tiempo

A través del análisis de la Tabla 1, se pueden extraer las siguientes conclusiones:

• Existe una cierta relación entre la corriente de interrupción y el voltaje; generalmente, la corriente de interrupción aumenta a medida que aumenta el voltaje.

• El tiempo de interrupción está relacionado tanto con la corriente como con el voltaje; cuanto mayor sea la corriente y el voltaje, menor será el tiempo de interrupción.

• Durante las pruebas, se debe prestar atención a controlar el rango de corriente y voltaje durante la interrupción para evitar inexactitudes en los resultados de la prueba causadas por valores demasiado altos o bajos. Además, también se deben considerar otros factores influyentes, como la temperatura y la humedad ambientales.

2.4 Análisis del campo electromagnético durante el proceso de interrupción
Para el análisis del campo electromagnético durante el proceso de interrupción de los equipos de anillo de gas aislado ecológico, es necesario establecer un montaje de prueba para llevar a cabo mediciones y análisis del campo electromagnético. En el experimento, se puede configurar un sistema de medición del campo electromagnético para probar y registrar el campo electromagnético durante el proceso de interrupción, como se muestra en la Tabla 2.

Tabla 2: Análisis del campo electromagnético durante el proceso de apertura

El análisis de las variaciones del campo electromagnético durante el proceso de interrupción basado en la Tabla 2 revela que en el momento de la interrupción, la corriente se reduce repentinamente a cero, y la intensidad del campo magnético disminuye correspondientemente de manera brusca. Posteriormente, la intensidad del campo magnético se recupera gradualmente hasta su estado previo a la interrupción. El análisis del campo electromagnético puede proporcionar datos de referencia importantes para el diseño y optimización de los centros de distribución de anillo con aislamiento a gas ecológico.

3.Análisis de los Resultados de Investigación sobre las Características de Arco y Interrupción
3.1 Análisis y Procesamiento de Datos de Parámetros Durante los Procesos de Arco e Interrupción
Durante las pruebas de arco e interrupción, se midieron parámetros como la corriente, el voltaje y el tiempo para analizar las características del arco e interrupción. En el procesamiento de datos, se emplearon métodos estadísticos para calcular la media, la desviación estándar y el coeficiente de variación de cada parámetro.

① Se analizaron y procesaron los datos de prueba del arco. Los valores medios de la corriente del arco, el voltaje y el tiempo fueron 8.5 kA, 4.2 kV y 2.5 ms, respectivamente. También se calcularon las desviaciones estándar y los coeficientes de variación para comprender la distribución y estabilidad de los datos de prueba. Los resultados mostraron que la desviación estándar de la corriente del arco fue 0.8 kA con un coeficiente de variación del 9.4%; la desviación estándar del voltaje del arco fue 0.4 kV con un coeficiente de variación del 9.5%; y la desviación estándar del tiempo del arco fue 0.2 ms con un coeficiente de variación del 8.0%. Esto indica que los datos de prueba del arco presentaron una distribución relativamente estable y alta confiabilidad.

② Se analizaron y procesaron los datos de prueba de interrupción. Los valores medios de la corriente de interrupción, el voltaje y el tiempo fueron 3.5 kA, 3.8 kV y 3.0 ms, respectivamente. De manera similar, se calcularon las desviaciones estándar y los coeficientes de variación. Los resultados mostraron que la desviación estándar de la corriente de interrupción fue 0.5 kA con un coeficiente de variación del 14.3%; la desviación estándar del voltaje de interrupción fue 0.3 kV con un coeficiente de variación del 7.9%; y la desviación estándar del tiempo de interrupción fue 0.1 ms con un coeficiente de variación del 4.4%. Esto sugiere que los datos de prueba de interrupción fueron relativamente menos estables y tuvieron menor confiabilidad.

Basado en el análisis de los datos anteriores, se puede concluir que la confiabilidad de los datos de prueba del arco es mayor que la de los datos de prueba de interrupción, posiblemente debido a los campos electromagnéticos complejos involucrados en el proceso de interrupción, lo que justifica una investigación más profunda. Además, se puede explorar aún más la relación entre las características del arco e interrupción basándose en los datos de prueba.

3.2 Análisis de la Relación Entre las Características del Arco e Interrupción
A través del análisis y procesamiento de parámetros tanto del arco como de la interrupción, se puede estudiar aún más la relación entre las características del arco e interrupción. Tanto las características del arco como las de la interrupción son indicadores clave de rendimiento de los centros de distribución de anillo con aislamiento a gas ecológico, y comprender su interrelación puede proporcionar orientación valiosa para el diseño y optimización.

Desde la perspectiva de las características del arco e interrupción, parámetros como la corriente, el voltaje y el tiempo afectan a ambos procesos de manera diferente. Durante el arco, la corriente del arco y la duración son los parámetros principales, mientras que el voltaje también tiene cierta influencia. En contraste, durante la interrupción, la corriente de interrupción es el parámetro dominante, con el tiempo y el voltaje también desempeñando roles. Por lo tanto, al analizar la relación entre las características del arco e interrupción, deben considerarse por separado sus respectivos parámetros clave.

El análisis de datos muestra una cierta correlación entre las características del arco e interrupción:

• Un aumento en la corriente y el voltaje del arco lleva a una mayor generación de subproductos del arco y un mayor consumo de energía durante el arco, lo que aumenta la dificultad de la interrupción.

• Un aumento en la corriente de interrupción resulta en una mayor energía del arco durante la interrupción, lo que también aumenta la dificultad de la interrupción.

Además, el análisis del campo electromagnético durante el arco e interrupción revela que los campos electromagnéticos influyen significativamente en ambos procesos. Durante el arco, el campo electromagnético ejerce una fuerza de restricción que limita la difusión del arco. Durante la interrupción, el campo electromagnético genera una fuerza repulsiva que empuja el arco hacia afuera, afectando el rendimiento de la interrupción.

Estos hallazgos indican que las características del arco e interrupción están interrelacionadas, principalmente influenciadas por sus parámetros operativos clave y los efectos del campo electromagnético. Por lo tanto, en el diseño y optimización de los centros de distribución de anillo con aislamiento a gas ecológico, se debe considerar de manera integral la relación entre las características del arco e interrupción, y los diseños deben adaptarse a escenarios de aplicación específicos para lograr un rendimiento óptimo.

4.Conclusión

A través del estudio de las características del arco e interrupción de los centros de distribución de anillo con aislamiento a gas ecológico, se puede concluir que estas características difieren significativamente de las de los centros de distribución de anillo con aislamiento a SF₆ tradicional. Los centros de distribución de anillo con aislamiento a gas ecológico imponen requisitos más estrictos en parámetros como la corriente, el voltaje y el tiempo, lo que requiere un diseño y optimización más precisos. Además, la distribución del campo electromagnético durante el arco e interrupción es diferente: durante el arco, el campo electromagnético es más concentrado e intenso, mientras que durante la interrupción, es más uniforme.

A medida que la aplicación de los centros de distribución de anillo con aislamiento a gas ecológico continúa expandiéndose, las futuras investigaciones pueden centrarse en los siguientes aspectos:

• Optimizar el diseño de los centros de distribución de anillo con aislamiento a gas ecológico a través del análisis de simulación.

• Investigar las características del arco e interrupción bajo diversas condiciones de operación.

• Explorar el potencial de aplicación de gases ecológicos novedosos en los centros de distribución de anillo con aislamiento a gas.

En resumen, estos hallazgos de investigación son de gran significancia para avanzar en el desarrollo y optimización de unidades de anillo principal aisladas con gas ecológico.