Pesquisa sobre Características de Arco e Interrupção de Unidades de Distribuição em Anel Isoladas a Gás Ecológico

As unidades de anel principal isoladas a gás ecológicas (RMUs) são equipamentos importantes de distribuição de energia em sistemas elétricos, apresentando características verdes, ambientalmente amigáveis e de alta confiabilidade. Durante a operação, as características de formação e interrupção do arco afetam significativamente a segurança das RMUs isoladas a gás ecológico. Portanto, a pesquisa aprofundada nesses aspectos é de grande importância para garantir a operação segura e estável dos sistemas de energia. Este artigo visa investigar as características de formação e interrupção do arco em RMUs isoladas a gás ecológico através de testes experimentais e análise de dados, explorando seus padrões e características, com o objetivo de fornecer suporte teórico e orientação técnica para a pesquisa e desenvolvimento desses equipamentos.

1. Pesquisa sobre as Características de Formação de Arco em Unidades de Anel Principal Isoladas a Gás Ecológico

1.1 Conceitos Básicos e Fatores Influentes dos Gases Ecológicos

Gases ecológicos referem-se a gases que não esgotam a camada de ozônio. Exemplos comuns incluem nitrogênio (N₂), ar comprimido seco (desengordurado e desumidificado) e novos gases especialmente formulados. As RMUs isoladas a gás ecológico oferecem vantagens como amigabilidade ao meio ambiente, segurança e confiabilidade, sendo, portanto, amplamente utilizadas em sistemas de energia. Estudar suas características de formação de arco requer entender os conceitos básicos e fatores influentes dos gases ecológicos. 

Propriedades físicas e químicas, estrutura molecular, temperatura, pressão, umidade e outros fatores influenciam o desempenho de isolamento e o comportamento de formação de arco desses gases, que devem ser investigados experimentalmente. Além disso, desafios práticos, como o volume de consumo de gás e a reciclabilidade, precisam ser abordados. Portanto, o estudo aprofundado dos conceitos fundamentais e fatores influentes dos gases ecológicos é essencial para pesquisar as características de formação de arco em RMUs isoladas a gás ecológico.

1.2 Métodos de Pesquisa e Configuração Experimental para Características de Formação de Arco

Investigar as características de formação de arco requer estabelecer uma metodologia de teste padronizada e uma configuração experimental. Os métodos de teste geralmente incluem testes elétricos baseados em fenômenos de arco e análise química. A configuração de teste deve garantir repetibilidade, precisão e segurança, geralmente compreendendo uma fonte de alta tensão, uma câmara de arco, instrumentos de medição e um sistema de aquisição de dados. A câmara de arco é um componente crítico, simulando o processo real de formação de arco dentro de uma RMU isolada a gás ecológico. Para estudar efetivamente as características de arco, a configuração deve fornecer níveis adequados de tensão e corrente e permitir o registro em tempo real de parâmetros como tensão de arco, corrente, duração e subprodutos. Medidas de segurança adequadas também devem ser implementadas para prevenir acidentes durante os testes.

1.3 Teste e Análise de Corrente, Tensão e Duração do Arco
Nas pesquisas de características de arco, a corrente, a tensão e a duração do arco são parâmetros-chave. A corrente de arco refere-se à magnitude da corrente que flui através da região de arco durante o arco; a tensão de arco é a diferença de potencial através da região de arco; e a duração do arco é o intervalo de tempo desde a iniciação até a extinção do arco. Medir esses parâmetros requer instrumentos especializados, como geradores de alta tensão, transformadores de corrente, transformadores de tensão e osciloscópios digitais. O teste experimental e a coleta de dados desses parâmetros em RMUs isoladas a gás ecológico, seguidos de análise de dados, ajudam a revelar tendências e inter-relações, aprofundando assim a compreensão das características de formação de arco e fornecendo dados fundamentais para pesquisas futuras.

1.4 Análise de Subprodutos Durante o Arco
Durante o arco em RMUs isoladas a gás ecológico, diversos subprodutos - como óxidos, fluoruros, cloruros e fumaça - são gerados, podendo representar riscos para o meio ambiente e a saúde humana. Atualmente, duas abordagens principais são usadas para analisar subprodutos de arco: análise experimental e simulação numérica. A análise experimental envolve simular o processo de arco em laboratório, coletar amostras de subprodutos e realizar análise química para determinar distribuições de espécies e concentrações. A simulação numérica usa modelos computacionais para prever a distribuição de subprodutos e mecanismos de reação. 

Técnicas analíticas como cromatografia, espectrometria de massa e microscopia eletrônica são empregadas na análise experimental. Na simulação numérica, métodos como análise por elementos finitos e CFD (Dinâmica Computacional de Fluidos) são usados para modelar a distribuição de subprodutos e mecanismos de reação química durante o arco. Os resultados da análise de subprodutos aprimoram a compreensão das reações químicas e da conversão de energia durante o arco, fornecendo suporte teórico e técnico para o projeto e aplicação de RMUs isoladas a gás ecológico, bem como dados de referência para monitoramento ambiental e segurança de pessoal.

2. Pesquisa sobre as Características de Interrupção de Unidades de Anel Principal Isoladas a Gás Ecológico

2.1 Conceitos Básicos e Fatores Influentes dos Fenômenos de Interrupção
2.1.1 Métodos de Teste de Interrupção
O teste de interrupção é uma etapa crítica no estudo das características de interrupção de RMUs isoladas a gás ecológico. Geralmente, é conduzido usando métodos experimentais convencionais ou simulação numérica. Os métodos convencionais envolvem a construção de uma plataforma de teste de interrupção e a variação das condições de teste (por exemplo, corrente, tensão) para observar o comportamento de interrupção e coletar dados experimentais. Por outro lado, a simulação numérica usa modelos de computador para simular fenômenos físicos durante a interrupção, permitindo a geração rápida de grandes conjuntos de dados e a previsão do desempenho de interrupção.

2.1.2 Configuração do Teste
Para estudar as características de interrupção, é necessário projetar e construir uma configuração de teste de interrupção dedicada. Esta configuração inclui uma fonte de alimentação de alta tensão, equipamento de comutação e instrumentos de medição. A fonte de alimentação de alta tensão fornece energia ao dispositivo de comutação, que realiza a operação de interrupção real, enquanto os instrumentos medem e registram as características de interrupção.

2.1.3 Teste e Análise dos Parâmetros Característicos de Interrupção
A pesquisa sobre as características de interrupção requer o teste e a análise de parâmetros como corrente, tensão e tempo durante o processo de interrupção. Esses parâmetros são indicadores-chave para avaliar o desempenho de interrupção. A corrente e a tensão descrevem o comportamento elétrico durante a interrupção, enquanto o tempo reflete a dinâmica temporal. A análise desses parâmetros revela informações críticas, como tendências de variação da corrente e tensão de interrupção, duração da interrupção e desempenho geral.

2.2 Métodos de Pesquisa e Configuração de Teste para Características de Interrupção
Os métodos comuns para estudar as características de interrupção de RMUs (Ring Main Units) isolados a gás ecológico incluem testes de interrupção convencionais e simulações numéricas avançadas. Os testes convencionais envolvem a montagem de dispositivos de comutação e carga em um banco de testes, variando os parâmetros da fonte de alimentação (tensão, corrente, etc.), observando os processos transitórios durante a interrupção e registrando parâmetros como corrente, tensão e tempo para processamento e análise de dados. 

Em comparação com os testes convencionais, as simulações numéricas oferecem maior precisão na modelagem das características de interrupção. Utilizando técnicas de simulação e modelagem por computador, os métodos numéricos resolvem campos físicos-chave, como campo elétrico, campo magnético, campo térmico e campo de fluxo, durante a interrupção, levando em consideração múltiplos fatores, incluindo corrente, tensão, espaçamento entre eletrodos e temperatura ambiente. Além disso, as simulações numéricas permitem a otimização do design do RMU ajustando as propriedades dos materiais e as configurações geométricas.
Para a configuração de teste, fontes de alimentação de corrente contínua de alta tensão e unidades de descarga de capacitores de alta potência podem fornecer as condições necessárias de alta tensão e alta corrente. Sistemas de aquisição de dados de alta velocidade e gravadores são usados para capturar com precisão os parâmetros de interrupção. Para garantir repetibilidade e precisão, a configuração de teste deve ser calibrada e validada.

2.3 Teste e Análise de Corrente, Tensão e Tempo de Interrupção
O teste e a análise de corrente, tensão e tempo de interrupção são uma parte crucial do estudo das características de interrupção.
(1) Objetivo do Teste: Compreender as características de interrupção de RMUs isolados a gás ecológico, testando e analisando a corrente, tensão e tempo de interrupção, avaliando seu desempenho em condições reais de operação e fornecendo uma base para a utilização e melhoria do equipamento.
(2) Equipamento de Teste: Amperímetros digitais, transformadores de tensão, instrumentos de medição de tempo, osciloscópios e sistemas de aquisição de dados são usados para garantir a medição precisa da corrente, tensão e tempo durante a interrupção.
(3) Procedimentos de Teste:

• Teste de Corrente de Interrupção: Realize a interrupção sob condições de teste padrão, registre as formas de onda da corrente e garanta a conexão adequada entre o equipamento de teste e o RMU. Meça as variações de corrente usando transformadores de corrente e amperímetros digitais.

• Teste de Tensão de Interrupção: De maneira semelhante, realize a interrupção sob condições padrão, registre as formas de onda de tensão e meça as mudanças de tensão usando transformadores de tensão e voltmímetros digitais.

• Teste de Tempo de Interrupção: Use instrumentos de medição de tempo para registrar com precisão o intervalo de tempo desde o início até a conclusão da operação de interrupção.

• Teste de Processo Transitório: Use osciloscópios e sistemas de aquisição de dados para capturar as formas de onda de corrente e tensão transitórias durante a interrupção, para análise das características transitórias.

(4) Registro e Análise de Dados: Registre as formas de onda de corrente, formas de onda de tensão, dados de tempo de interrupção e formas de onda transitórias. Analise se a corrente de interrupção atende aos requisitos de engenharia, se a tensão de interrupção está em conformidade com as especificações e se o tempo de interrupção satisfaz os critérios de projeto. Avalie o impacto dos processos transitórios no desempenho e estabilidade do equipamento. Através dos procedimentos de teste detalhados acima, a consideração abrangente de todos os fatores relevantes garante a coleta precisa de dados e a análise aprofundada. Os resultados são mostrados na Tabela 1.

Tabela 1: Teste e Análise dos Parâmetros de Corrente, Tensão e Tempo

Através da análise da Tabela 1, as seguintes conclusões podem ser tiradas:

• Existe uma certa relação entre a corrente de interrupção e a tensão; geralmente, a corrente de interrupção aumenta à medida que a tensão aumenta.

• O tempo de interrupção está relacionado tanto com a corrente quanto com a tensão; quanto maior a corrente e a tensão, menor o tempo de interrupção.

• Durante os testes, deve-se prestar atenção ao controle da faixa de corrente e tensão durante a interrupção para evitar imprecisões nos resultados dos testes causadas por valores muito altos ou muito baixos. Além disso, outros fatores influentes, como a temperatura e a umidade ambiente, também devem ser considerados.

2.4 Análise do Campo Eletromagnético Durante o Processo de Interrupção
Para a análise do campo eletromagnético durante o processo de interrupção de unidades de anel principal isoladas a gás ecológico, é necessário estabelecer um conjunto de testes para realizar medições e análises do campo eletromagnético. No experimento, pode-se configurar um sistema de medição de campo eletromagnético para testar e registrar o campo eletromagnético durante o processo de interrupção, conforme mostrado na Tabela 2.

Tabela 2: Análise do Campo Eletromagnético Durante o Processo de Interrupção

A análise das variações do campo eletromagnético durante o processo de interrupção, com base na Tabela 2, revela que no momento da interrupção, a corrente cai repentinamente para zero, e a intensidade do campo magnético diminui correspondentemente de forma acentuada. Posteriormente, a intensidade do campo magnético se recupera gradualmente para seu estado pré-interrupção. A análise do campo eletromagnético pode fornecer dados de referência importantes para o projeto e otimização de unidades de anel principal isoladas a gás eco-friendly.

3.Análise dos Resultados da Pesquisa sobre Características de Arco e Interrupção
3.1 Análise e Processamento de Parâmetros Durante os Processos de Arco e Interrupção
Durante os testes de arco e interrupção, parâmetros como corrente, voltagem e tempo foram medidos separadamente para analisar as características de arco e interrupção. No processamento de dados, métodos estatísticos foram empregados para calcular a média, o desvio padrão e o coeficiente de variação para cada parâmetro.

① Os dados do teste de arco foram analisados e processados. Os valores médios de corrente de arco, voltagem e tempo foram 8,5 kA, 4,2 kV e 2,5 ms, respectivamente. Os desvios padrão e os coeficientes de variação também foram calculados para entender a distribuição e a estabilidade dos dados de teste. Os resultados mostraram que o desvio padrão da corrente de arco foi 0,8 kA com um coeficiente de variação de 9,4%; o desvio padrão da voltagem de arco foi 0,4 kV com um coeficiente de variação de 9,5%; e o desvio padrão do tempo de arco foi 0,2 ms com um coeficiente de variação de 8,0%. Isso indica que os dados do teste de arco apresentaram uma distribuição relativamente estável e alta confiabilidade.

② Os dados do teste de interrupção foram analisados e processados. Os valores médios de corrente de interrupção, voltagem e tempo foram 3,5 kA, 3,8 kV e 3,0 ms, respectivamente. Da mesma forma, desvios padrão e coeficientes de variação foram calculados. Os resultados mostraram que o desvio padrão da corrente de interrupção foi 0,5 kA com um coeficiente de variação de 14,3%; o desvio padrão da voltagem de interrupção foi 0,3 kV com um coeficiente de variação de 7,9%; e o desvio padrão do tempo de interrupção foi 0,1 ms com um coeficiente de variação de 4,4%. Isso sugere que os dados do teste de interrupção foram relativamente menos estáveis e tiveram menor confiabilidade.

Com base na análise dos dados acima, pode-se concluir que a confiabilidade dos dados do teste de arco é maior do que a dos dados do teste de interrupção, possivelmente devido aos campos eletromagnéticos complexos envolvidos no processo de interrupção, o que justifica uma investigação mais aprofundada. Além disso, a relação entre as características de arco e interrupção pode ser explorada adicionalmente com base nos dados de teste.

3.2 Análise da Relação Entre as Características de Arco e Interrupção
Através da análise e processamento de parâmetros tanto do processo de arco quanto do processo de interrupção, a relação entre as características de arco e interrupção pode ser estudada mais a fundo. As características de arco e interrupção são indicadores-chave de desempenho de unidades de anel principal isoladas a gás eco-friendly, e compreender sua inter-relação pode fornecer orientações valiosas para o projeto e a otimização.

Do ponto de vista das características de arco e interrupção, parâmetros como corrente, voltagem e tempo afetam os dois processos de maneira diferente. Durante o arco, a corrente de arco e a duração são os principais parâmetros, enquanto a voltagem também tem certa influência. Em contraste, durante a interrupção, a corrente de interrupção é o parâmetro dominante, com o tempo e a voltagem também desempenhando papéis. Portanto, quando se analisa a relação entre as características de arco e interrupção, seus respectivos parâmetros-chave devem ser considerados separadamente.

A análise de dados mostra uma certa correlação entre as características de arco e interrupção:

• Um aumento na corrente e voltagem do arco leva à geração maior de subprodutos do arco e ao maior consumo de energia durante o arco, aumentando assim a dificuldade de interrupção.

• Um aumento na corrente de interrupção resulta em maior energia do arco durante a interrupção, o que também aumenta a dificuldade de interrupção.

Além disso, a análise do campo eletromagnético durante o arco e a interrupção revela que os campos eletromagnéticos influenciam significativamente ambos os processos. Durante o arco, o campo eletromagnético exerce uma força de restrição que limita a difusão do arco. Durante a interrupção, o campo eletromagnético gera uma força repulsiva que empurra o arco para fora, afetando o desempenho da interrupção.

Esses achados indicam que as características de arco e interrupção estão inter-relacionadas, sendo principalmente influenciadas por seus parâmetros operacionais-chave e pelos efeitos do campo eletromagnético. Portanto, no projeto e otimização de unidades de anel principal isoladas a gás eco-friendly, a relação entre as características de arco e interrupção deve ser considerada de forma abrangente, e os projetos devem ser adaptados a cenários de aplicação específicos para alcançar o desempenho ótimo.

4.Conclusão

Através do estudo das características de arco e interrupção de unidades de anel principal isoladas a gás eco-friendly, pode-se concluir que essas características diferem significativamente das das unidades de anel principal isoladas a SF₆ tradicionais. As RMUs isoladas a gás eco-friendly impõem requisitos mais rigorosos a parâmetros como corrente, voltagem e tempo, necessitando de um design e otimização mais precisos. Além disso, a distribuição do campo eletromagnético durante o arco e a interrupção difere: durante o arco, o campo eletromagnético é mais concentrado e intenso, enquanto durante a interrupção, ele é mais uniforme.

À medida que a aplicação de unidades de anel principal isoladas a gás eco-friendly continua a expandir, futuras pesquisas podem se concentrar nos seguintes aspectos:

• Otimização do design de RMUs isoladas a gás eco-friendly através de análise de simulação.

• Investigação das características de arco e interrupção sob várias condições de operação.

• Exploração do potencial de aplicação de novos gases eco-friendly em unidades de anel principal isoladas.

Em resumo, esses resultados de pesquisa são de grande significância para o avanço e a otimização de unidades de seccionamento anelado com gás isolante ecológico.