Investigación sobre as Características de Arco e Interrupción de Unidades Principais de Anel Isoladas a Gás Ecolóxico

As unidades de anel principal (RMUs) aisladas a gas ecolóxicas son equipos importantes de distribución de enerxía nos sistemas eléctricos, caracterizándose por ser verdes, respetuosas con o medio ambiente e de alta fiabilidade. Durante a súa operación, as características de formación e interrupción do arco afectan significativamente a seguridade das RMUs aisladas a gas ecolóxico. Polo tanto, unha investigación en profundidade sobre estes aspectos ten gran importancia para garantir a operación segura e estable dos sistemas de enerxía. Este artigo ten como obxectivo investigar as características de formación e interrupción do arco nas RMUs aisladas a gas ecolóxico a través de probas experimentais e análise de datos, explorando os seus patróns e características, co obxectivo de proporcionar soporte teórico e orientación técnica para a investigación e desenvolvemento deste tipo de equipos.

1.Investigación sobre as Características de Formación do Arco nas Unidades de Anel Principal Aisladas a Gas Ecolóxico

1.1 Conceptos Básicos e Factores Influentes dos Gases Ecolóxicos

Os gases ecolóxicos refírense a gases que non esgotan a capa de ozono. Exemplos comúns inclúen o nitróxeno (N₂), aire comprimido seco (desengrasado e deshumidificado) e gases novos especialmente formulados. As RMUs aisladas a gas ecolóxico ofrecen vantaxes como respeto ao medio ambiente, seguridade e fiabilidade, polo que son ampliamente utilizadas nos sistemas de enerxía. Estudar as súas características de formación do arco require entender os conceptos básicos e factores influentes dos gases ecolóxicos. 

As propiedades físicas e químicas, a estrutura molecular, a temperatura, a presión, a humidade e outros factores todos influencian o rendemento de aislamento e o comportamento de formación do arco destes gases, que deben ser investigados experimentalmente. Ademais, desafíos prácticos como o volume de consumo de gas e a reciclabilidade deben ser abordados. Polo tanto, un estudo en profundidade dos conceptos básicos e factores influentes dos gases ecolóxicos é esencial para investigar as características de formación do arco nas RMUs aisladas a gas ecolóxico.

1.2 Métodos de Investigación e Configuración de Probas para as Características de Formación do Arco

Investigar as características de formación do arco require establecer unha metodoloxía de proba estandarizada e unha configuración experimental. Os métodos de proba xeralmente inclúen probas eléctricas baseadas en fenómenos de arco e análise química. A configuración de proba debe asegurar repetibilidade, precisión e seguridade, xeralmente composta por unha fonte de alta tensión, unha cámara de arco, instrumentos de medida e un sistema de adquisición de datos. A cámara de arco é un compoñente crítico, simulando o proceso real de formación do arco dentro dunha RMU aislada a gas ecolóxico. Para estudar eficazmente as características do arco, a configuración debe proporcionar niveis de voltaxe e corrente adecuados e permitir o rexistro en tempo real de parámetros como o voltaxe do arco, corrente, duración e subproductos. Tamén deben implementarse medidas de seguridade adequadas para prevenir accidentes durante as probas.

1.3 Probando e Analizando a Corrente, Tensión e Duración do Arco
Nos estudos de características do arco, a corrente, a tensión e a duración do arco son parámetros clave. A corrente do arco refírese á magnitude da corrente que fluye a través da rexión do arco durante o arqueo; a tensión do arco é a diferenza de potencial a través da rexión do arco; e a duración do arco é o intervalo de tempo desde o inicio ata a extinción do arco. Medir estes parámetros require instrumentos especializados como xeradores de alta tensión, transformadores de corrente, transformadores de tensión e osciloscopios dixitais. As probas experimentais e a recollida de datos sobre estes parámetros nas RMUs aisladas a gas ecolóxico, seguidas da análise de datos, axudan a revelar tendencias e interrelacións, aprofundando así a comprensión das características de formación do arco e proporcionando datos fundamentais para investigacións posteriores.

1.4 Análise dos Subproductos do Arco Durante o Arqueo
Durante o arqueo nas RMUs aisladas a gas ecolóxico, xéranse diversos subproductos, como óxidos, fluoruros, cloruros e fume, que poden supor perigos para o medio ambiente e a saúde humana. Actualmente, hai dúas principais aproximacións para analizar os subproductos do arco: análise experimental e simulación numérica. A análise experimental implica simular o proceso de arqueo nun laboratorio, recoller mostras de subproductos e realizar análise química para determinar as distribucións de especies e concentracións. A simulación numérica utiliza modelos computacionais para prever a distribución de subproductos e rutas de reacción. 

Técnicas analíticas como a cromatografía, a espectrometría de masas e a microscopía electrónica son empregadas na análise experimental. Na simulación numérica, métodos como o análise de elementos finitos e CFD (Dinámica Computacional de Fluidos) son usados para modelar a distribución de subproductos e mecanismos de reacción química durante o arqueo. Os resultados da análise de subproductos melloran a comprensión das reaccións químicas e a conversión de enerxía durante o arqueo, proporcionando soporte teórico e técnico para o deseño e aplicación das RMUs aisladas a gas ecolóxico, así como datos de referencia para a monitorización ambiental e a seguridade do persoal.

2. Investigación sobre as Características de Interrupción das Unidades de Anel Principal Aisladas a Gas Ecolóxico

2.1 Conceptos Básicos e Factores Influentes dos Fenómenos de Interrupción
2.1.1 Métodos de Proba de Interrupción
As probas de interrupción son un paso crítico no estudo das características de interrupción das RMUs aisladas a gas ecolóxico. Xeralmente realizanse usando métodos experimentais convencionais ou simulación numérica. Os métodos convencionais implican construír unha plataforma de proba de interrupción e variar as condicións de proba (por exemplo, corrente, tensión) para observar o comportamento de interrupción e recoller datos experimentais. A simulación numérica, por outro lado, usa modelos informáticos para simular fenómenos físicos durante a interrupción, permitindo a xeración rápida de grandes conxuntos de datos e a predicción do rendemento de interrupción.

2.1.2 Configuración do ensaio
Para estudar as características de interrupción, debe deseñarse e construírse unha configuración de ensaio de interrupción dedicada. Esta configuración inclúe unha fonte de alimentación de alta tensión, equipos de conmutación e instrumentos de medida. A fonte de alimentación de alta tensión proporciona enerxía ao dispositivo de conmutación, que realiza a operación de interrupción real, mentres que os instrumentos miden e rexistran as características de interrupción.

2.1.3 Ensaio e análise dos parámetros de características de interrupción
A investigación sobre as características de interrupción require o ensaio e a análise de parámetros como a corrente, a tensión e o tempo durante o proceso de interrupción. Estes parámetros son indicadores clave para avaliar o rendemento da interrupción. A corrente e a tensión describen o comportamento eléctrico durante a interrupción, mentres que o tempo reflicte a dinámica temporal. Analizando estes parámetros revelanse información crítica como as tendencias de variación da corrente e da tensión de interrupción, a duración da interrupción e o rendemento xeral.

2.2 Métodos de investigación e configuración do ensaio para as características de interrupción
Os métodos comúns para estudar as características de interrupción das RMUs (Unidades de Medida de Red) aisladas por gas eco-friendly inclúen ensaios de interrupción convencionais e simulacións numéricas avanzadas. Os ensaios convencionais implican a configuración de dispositivos de conmutación e carga nun banco de proba, variando os parámetros da fonte de alimentación (tensión, corrente, etc.), observando os procesos transitorios durante a interrupción e rexistrando parámetros como corrente, tensión e tempo para o procesado e análise de datos. 

Comparados cos ensaios convencionais, as simulacións numéricas ofrecen maior precisión no modelado das características de interrupción. Utilizando técnicas de simulación e modelización por ordenador, os métodos numéricos resolven campos físicos clave, como o campo eléctrico, o campo magnético, o campo térmico e o campo de fluxo, durante a interrupción, ten en conta múltiples factores, incluíndo corrente, tensión, espazo entre electrodos e temperatura ambiente. Ademais, as simulacións numéricas permiten optimizar o deseño da RMU axustando as propiedades dos materiais e as configuracións xeométricas.
Para a configuración do ensaio, as fontes de alimentación de corrente continua de alta tensión e as unidades de descarga de condensadores de alta potencia poden proporcionar as condicións necesarias de alta tensión e alta corrente. Sistemas de adquisición de datos de alta velocidade e rexistradores usanse para capturar con precisión os parámetros de interrupción. Para asegurar a repetibilidade e a precisión, a configuración do ensaio debe calibrarse e validarse.

2.3 Ensaio e análise da corrente, tensión e tempo de interrupción
O ensaio e a análise da corrente, tensión e tempo de interrupción é unha parte crucial do estudo das características de interrupción.
(1) Obxectivo do ensaio: Comprender as características de interrupción das RMUs aisladas por gas eco-friendly mediante o ensaio e a análise da corrente, tensión e tempo de interrupción, avaliando o seu rendemento nas condicións reais de funcionamento e proporcionando unha base para a utilización e mellora do equipo.
(2) Equipamento de ensaio: Amperímetros dixitais, transformadores de tensión, instrumentos de medida de tempo, osciloscopios e sistemas de adquisición de datos úsanse para asegurar a medida precisa da corrente, tensión e tempo durante a interrupción.
(3) Procedementos de ensaio:

• Ensaio de corrente de interrupción: Realiza a interrupción baixo condicións de ensaio estándar, rexistra as formas de onda da corrente e asegura a conexión adecuada entre o equipamento de ensaio e a RMU. Métrase a variación da corrente usando transformadores de corrente e amperímetros dixitais.

• Ensaio de tensión de interrupción: De forma semellante, realiza a interrupción baixo condicións estándar, rexistra as formas de onda da tensión e métrase a variación da tensión usando transformadores de tensión e voltímetros dixitais.

• Ensaio de tempo de interrupción: Usa instrumentos de medida de tempo para rexistrar con precisión o intervalo de tempo desde o inicio ata a finalización da operación de interrupción.

• Ensaio de proceso transitorio: Usa osciloscopios e sistemas de adquisición de datos para capturar as formas de onda de corrente e tensión transitorias durante a interrupción para a análise das características transitorias.

(4) Rexistro e análise de datos: Rexistra as formas de onda de corrente, as formas de onda de tensión, os datos de tempo de interrupción e as formas de onda transitorias. Analízase se a corrente de interrupción cumpre os requisitos de enxeñaría, se a tensión de interrupción cumple as especificacións e se o tempo de interrupción satisfai os criterios de deseño. Avalíase o impacto dos procesos transitorios no rendemento e estabilidade do equipo. A través dos procedementos de ensaio detallados anteriores, a consideración comprehensiva de todos os factores relevantes asegura a recollida precisa de datos e a análise en profundidade. Os resultados amóstranse na Táboa 1.

Táboa 1: Ensaio e análise dos parámetros de corrente, tensión e tempo

A través do análise da Táboa 1, pódense extraer as seguintes conclusións:

• Existe unha certa relación entre a corrente de interrupción e a tensión; xeralmente, a corrente de interrupción aumenta á medida que a tensión aumenta.

• O tempo de interrupción está relacionado tanto coa corrente como coa tensión; cuanto maior é a corrente e a tensión, menor é o tempo de interrupción.

• Durante a proba, debe prestar-se atención ao controlar o rango de corrente e tensión durante a interrupción para evitar inexactitudes nos resultados da proba causadas por valores demasiado altos ou baixos. Ademais, tamén deben considerarse outros factores influentes, como a temperatura e a humidade ambiental.

2.4 Análise do campo electromagnético durante o proceso de interrupción
Para a análise do campo electromagnético durante o proceso de interrupción das unidades de anel de distribución aisladas con gas ecolóxico, debe establecerse un montaxe de proba para realizar medidas e análises do campo electromagnético. No experimento, pódese configurar un sistema de medida do campo electromagnético para probar e rexistrar o campo electromagnético durante o proceso de interrupción, como se mostra na Táboa 2.

Táboa 2: Análise do campo electromagnético durante o proceso de corte

A análise das variacións do campo electromagnético durante o proceso de interrupción baseada na Táboa 2 revela que no momento da interrupción, a corrente despréndese repentinamente a cero, e a intensidade do campo magnético diminúe en consecuencia de forma brusca. Posteriormente, a intensidade do campo magnético recupera gradualmente o seu estado anterior á interrupción. A análise do campo electromagnético pode proporcionar datos de referencia importantes para o deseño e a optimización de unidades de anel principal aisladas con gas ecolóxico.

3.Análise dos Resultados da Investigación sobre Características de Arco e Interrupción
3.1 Análise e Procesamento de Parámetros Durante os Procesos de Arco e Interrupción
Durante as probas de arco e interrupción, midéronse separadamente parámetros como a corrente, a tensión e o tempo para analizar as características de arco e interrupción. No procesamento de datos, empregáronse métodos estatísticos para calcular a media, a desviación estándar e o coeficiente de variación para cada parámetro.

① Analizáronse e procesáronse os datos da proba de arco. Os valores medios da corrente de arco, a tensión e o tempo foron 8,5 kA, 4,2 kV e 2,5 ms, respectivamente. Tamén se calculou a desviación estándar e o coeficiente de variación para entender a distribución e a estabilidade dos datos de proba. Os resultados mostraron que a desviación estándar da corrente de arco foi de 0,8 kA cun coeficiente de variación do 9,4%; a desviación estándar da tensión de arco foi de 0,4 kV cun coeficiente de variación do 9,5%; e a desviación estándar do tempo de arco foi de 0,2 ms cun coeficiente de variación do 8,0%. Isto indica que os datos da proba de arco exhibiron unha distribución relativamente estable e alta fiabilidade.

② Analizáronse e procesáronse os datos da proba de interrupción. Os valores medios da corrente de interrupción, a tensión e o tempo foron 3,5 kA, 3,8 kV e 3,0 ms, respectivamente. De xeito semellante, calculáronse as desviacións estándar e os coeficientes de variación. Os resultados mostraron que a desviación estándar da corrente de interrupción foi de 0,5 kA cun coeficiente de variación do 14,3%; a desviación estándar da tensión de interrupción foi de 0,3 kV cun coeficiente de variación do 7,9%; e a desviación estándar do tempo de interrupción foi de 0,1 ms cun coeficiente de variación do 4,4%. Isto suxire que os datos da proba de interrupción foron relativamente menos estables e tiveron menor fiabilidade.

Baseándose na análise de datos anterior, pódese concluir que a fiabilidade dos datos da proba de arco é maior que a dos datos da proba de interrupción, posiblemente debido aos campos electromagnéticos complexos implicados no proceso de interrupción, o que merece unha investigación máis en profundidade. Ademais, a relación entre as características de arco e interrupción pode ser explorada adicionalmente baseándose nos datos de proba.

3.2 Análise da Relación Entre as Características de Arco e Interrupción
A través da análise e procesamento de parámetros tanto de arco como de interrupción, pódese estudar máis a fondo a relación entre as características de arco e interrupción. Ambas as características de arco e interrupción son indicadores clave de rendemento de unidades de anel principal aisladas con gas ecolóxico, e a comprensión da súa interrelación pode proporcionar orientación valiosa para o deseño e a optimización.

Desde o punto de vista das características de arco e interrupción, parámetros como a corrente, a tensión e o tempo afectan aos dous procesos de maneira diferente. Durante o arco, a corrente de arco e a duración son os parámetros primarios, mentres que a tensión tamén ten unha certa influencia. En contraste, durante a interrupción, a corrente de interrupción é o parámetro dominante, co tempo e a tensión xogando tamén un papel. Polo tanto, ao analizar a relación entre as características de arco e interrupción, deben considerarse separadamente os seus parámetros clave respectivos.

A análise de datos mostra unha certa correlación entre as características de arco e interrupción:

• Un aumento da corrente de arco e a tensión leva a unha maior xeración de subproductos de arco e a un maior consumo de enerxía durante o arco, aumentando así a dificultade da interrupción.

• Un aumento da corrente de interrupción resulta en unha maior enerxía de arco durante a interrupción, que tamén aumenta a dificultade da interrupción.

Ademais, a análise do campo electromagnético durante o arco e a interrupción revela que os campos electromagnéticos inflúen significativamente en ambos os procesos. Durante o arco, o campo electromagnético exerce unha forza restritiva que limita a difusión do arco. Durante a interrupción, o campo electromagnético xera unha forza repulsiva que empuxa o arco cara fóra, afectando ao rendemento da interrupción.

Estes resultados indican que as características de arco e interrupción están interrelacionadas, principalmente influenciadas polos seus parámetros operativos clave e os efectos do campo electromagnético. Polo tanto, no deseño e optimización de unidades de anel principal aisladas con gas ecolóxico, debe considerarse comprehensivamente a relación entre as características de arco e interrupción, e os deseños deben adaptarse a escenarios de aplicación específicos para lograr o rendemento óptimo.

4.Conclusión

A través do estudo das características de arco e interrupción das unidades de anel principal aisladas con gas ecolóxico, pódese concluir que estas características difiren significativamente das das unidades de anel principal aisladas con SF₆ tradicionais. As unidades de anel principal aisladas con gas ecolóxico imponen requisitos máis estritos en parámetros como a corrente, a tensión e o tempo, requirindo un deseño e optimización máis precisos. Ademais, a distribución do campo electromagnético durante o arco e a interrupción difire: durante o arco, o campo electromagnético é máis concentrado e intenso, mentres que durante a interrupción, é máis uniforme.

Á medida que a aplicación de unidades de anel principal aisladas con gas ecolóxico continúa expandíndose, a investigación futura pode centrarse nos seguintes aspectos:

• Optimización do deseño de unidades de anel principal aisladas con gas ecolóxico a través da análise de simulación.

• Investigación das características de arco e interrupción en varias condicións de operación.

• Exploración do potencial de aplicación de novos gases ecolóxicos en unidades de anel principal aisladas.

En resumo, estes resultados de investigación son de gran significado para o avance do desenvolvemento e optimización de unidades de anel principal aisladas por gas ecolóxicas.