Vistas: 0 Autor: Editor del sitio Hora de publicación: 2026-08-05 Origen: Sitio
Este documento es una interpretación del trabajo de investigación al que se hace referencia. Las estructuras del producto, los resultados de la simulación, las formas de onda experimentales, las imágenes de las cámaras de alta velocidad y los datos relevantes presentados aquí provienen del artículo de referencia original. |
Las aplicaciones de sistemas fotovoltaicos (PV) y de almacenamiento de energía de CC de 1500 V imponen mayores exigencias a los disyuntores de CC. Muchos disyuntores de caja moldeada (MCCB) de CC de 1500 V adoptan tradicionalmente un esquema en serie de cuatro polos, que ofrece una cámara de extinción de arco espaciosa en múltiples polos, pero aumenta el volumen general y el costo del equipo.
Estructura interna y principio de extinción del arco del disyuntor de CC.
Figura 3 Diseño de estructuras de conductos de arco: (a) Nuevo conducto de arco MCCB de CC de dos polos; (b) Cámara de arco MCCB convencional
Este artículo de Xiamen Hongfa investiga cómo lograr una capacidad de corte de CC de 1500 V utilizando un disyuntor de CC bipolar compacto (MCCB de CC bipolar).
Aunque el esquema del disyuntor de CC de dos polos es compacto, cada polo debe soportar un voltaje más alto. En consecuencia, el arco eléctrico debe abandonar los contactos en un período de tiempo extremadamente corto, entrar en las placas divisoras del conducto de arco y sufrir un enfriamiento y división rápidos. En pruebas de capacidad de corte en cortocircuito bajo CC 1500 V/15 kA con una constante de tiempo de 10 ms, si el voltaje del arco puede aumentar lo más rápido posible es el factor crítico que determina el rendimiento de corte y limitación de corriente.
Figura 6 Comparación del rendimiento de corte y limitación de corriente de disyuntores de CC bipolares
El artículo compara las formas de onda de voltaje y corriente de dos unidades prototipo durante las pruebas de interrupción por cortocircuito:
· Prototipo 1: el voltaje del arco aumenta a aproximadamente 350 V en una marca de tiempo anterior, lo que limita la corriente máxima a alrededor de 8,6 kA.
· Prototipo 2: El aumento de la tensión del arco se retrasa ligeramente, lo que da como resultado una corriente máxima más alta de aproximadamente 9,4 kA.
Esto demuestra que cuanto antes entre el arco en las placas divisoras del conducto de arco, antes aumentará el voltaje del arco, lo que permitirá limitar antes la corriente de cortocircuito.
1. Estructura original de la placa divisora
Estructura original del conducto de arco con disposición de placa divisora convexa
El artículo analiza primero la estructura original de la rampa de arco. El diseño original adopta una disposición de placas divisorias de forma convexa, donde las placas divisorias centrales son más largas y están situadas más cerca del área de contacto.
· Las placas más cercanas a los contactos pueden atraer el arco en una fase más temprana.
· Un contacto más temprano entre las placas y el arco permite un enfriamiento y división más rápidos del arco.
· En teoría, un aumento más temprano en el voltaje del arco debería producir un rendimiento superior de limitación de corriente.
Figura 7 Distribución de temperatura en la estructura original de la placa divisora
La Figura 7 ilustra la distribución de temperatura bajo la estructura de placa divisora original. Aunque el arco se mueve hacia las placas divisoras en la etapa inicial, después de alcanzarlas, no logra entrar suavemente en los espacios entre placas. En cambio, se estanca cerca de la región de entrada, se propaga lateralmente a ambos lados y, finalmente, provoca un nuevo impacto cerca de los contactos.
Figura 8 Distribución de presión en la estructura de placa divisora original
La Figura 8 presenta la distribución de presión correspondiente:
Debido a que las placas divisorias largas centrales están colocadas demasiado cerca de los contactos, se forma una zona triangular relativamente cerrada entre la entrada del canal y los contactos móviles/fijos. A medida que arde el arco, el gas a alta temperatura se expande y se acumula presión dentro de esta zona, superando las 5 atm en la entrada.
Conclusión: La entrada del conducto de arco se obstruye con gas a alta presión, lo que impide que entre el arco.
2. Estructura de placa divisoria escalonada
Para resolver este problema, el artículo propone una estructura de placa divisoria escalonada:
· Acorte ciertas placas divisoras para ampliar el espacio de amortiguación entre los contactos y la entrada del conducto.
· Transición de placas centrales de igual longitud a una disposición escalonada, reduciendo así la densidad de placas divisorias en la entrada.
Figura 9 Distribución de temperatura en la nueva estructura de placa divisoria
La Figura 9 muestra la distribución de temperatura bajo la estructura escalonada. En comparación con el diseño original, el arco viaja hacia las placas divisoras mucho más suavemente y las placas lo cortan progresivamente.
Figura 10 Distribución de presión en la nueva estructura de placa divisoria
La Figura 10 demuestra la distribución de presión bajo la nueva estructura. Es evidente que ya no se forma una zona de bloqueo de alta presión en la entrada del canal. Las ondas de presión se propagan libremente hacia la parte posterior de las placas, manteniendo la entrada en un estado de presión más baja y facilitando la entrada del arco.
Figura 11 Comparación de voltaje de arco bipolar simulado
La Figura 11 muestra la comparación de voltaje de arco simulado. Bajo la estructura escalonada, el voltaje del arco aumenta más suavemente y alcanza un valor máximo más alto.
Figura 12 Comparación experimental del voltaje del arco
La Figura 12 muestra la comparación experimental del voltaje del arco. La tendencia experimental se alinea estrechamente con los resultados de la simulación, lo que confirma que las placas divisoras escalonadas optimizan efectivamente la entrada del arco en el conducto.
Figura 13 Comparación del movimiento del arco capturado por una cámara de alta velocidad
La Figura 13 muestra grabaciones de cámaras de alta velocidad. En la estructura original, el arco no logra entrar suavemente en el conducto de arco, lo que provoca una rotura por retroceso. En la estructura escalonada, el arco ingresa exitosamente al conducto y se extingue mediante el corte de la placa.
Conclusión clave: las placas divisorias más largas y la mayor proximidad a los contactos no son intrínsecamente mejores. Sin espacio para aliviar la presión en la entrada, el arco quedará bloqueado en el exterior.
3. Estructura del cono guía de flujo: prevención de turbulencias en la parte inferior
Si bien las placas divisoras escalonadas son efectivas, aumentan la complejidad del ensamblaje y pueden no ser adecuadas para una producción totalmente automatizada.
Por lo tanto, el artículo propone otro esquema de optimización: agregar un cono de guía de flujo en la parte inferior del conducto de arco.
En los MCCB de CC bipolares, la rampa de arco está dispuesta a lo largo de la dirección longitudinal. Después de ingresar al conducto, el arco y el flujo de gas caliente deben redirigirse en la parte inferior antes de descargarse hacia los puertos de escape bilaterales.
En otras palabras, el flujo de gas no viaja en línea recta: debe girar en una esquina, donde es más probable que se produzca acumulación de presión.
Figura 14 Distribución de temperatura en el conducto de arco con cono guía de flujo
La Figura 14 muestra la distribución de temperatura después de incorporar el cono guía de flujo. El movimiento general del arco se vuelve más suave, lo que permite la entrada y el corte adecuados mediante las placas divisoras.
Figura 15 Distribución de presión en el conducto de arco con cono guía de flujo
La figura 15 muestra la distribución de presión con el cono guía de flujo. El cono dirige el flujo de gas desde las salidas de la placa hacia ambos lados, eliminando una acumulación severa de presión en el fondo del conducto y logrando una distribución de presión más uniforme.
Esto evita que el gas a alta temperatura se acumule o cambie repetidamente de dirección en el fondo, guiándolo constantemente hacia afuera a lo largo de ambos lados.
4. Comparación de la velocidad del flujo antes y después del cono guía de flujo
Figura 16 Comparación de la velocidad del flujo en el fondo del conducto de arco antes y después del cono guía de flujo
La Figura 16 compara la velocidad del gas en el fondo del conducto de arco antes y después de agregar el cono guía de flujo.
· Sin cono guía de flujo: la velocidad del gas aumenta rápidamente, cae y luego se invierte, lo que indica una inversión repetida del flujo en el fondo. La inversión del flujo provoca una acumulación de presión localizada e impide el movimiento del arco.
· Con cono guía de flujo: aunque la velocidad inicial aumenta más lentamente, la dirección del flujo permanece significativamente más estable. Una vez que se alcanza la alta velocidad, el flujo unidireccional se mantiene durante un período más largo.
Figura 17 Comparación del voltaje del arco simulado antes y después del cono guía de flujo
La Figura 17 compara el voltaje del arco simulado. Sin el cono, el voltaje del arco aumenta rápidamente al principio, pero luego cae bruscamente debido al comportamiento anormal del arco. Con el cono, el voltaje aumenta moderadamente en las primeras etapas pero continúa aumentando de manera constante, favoreciendo la extinción final del arco.
Figura 18 Comparación del voltaje del arco experimental antes y después del cono guía de flujo
La Figura 18 compara el voltaje del arco experimental. De acuerdo con la simulación, agregar el cono guía de flujo produce un aumento de voltaje más pronunciado en etapas posteriores, lo que demuestra un alargamiento, enfriamiento y corte continuos del arco.
Figura 19 Comparación del movimiento del arco capturado por una cámara de alta velocidad antes y después del cono guía de flujo
La Figura 19 presenta observaciones de cámaras de alta velocidad. Sin el cono guía de flujo, el arco y el gas caliente se concentran localmente y no se difunden por todo el conducto, a veces invirtiendo la dirección y saliendo cerca del eje giratorio. Con el cono, la distribución del gas térmico es mucho más uniforme, lo que permite una rápida entrada y extinción del arco.
Principio básico: Transformar el flujo turbulento en flujo dirigido, convirtiendo la acumulación de presión localizada en un escape uniforme.
5. Conclusión
· La capacidad de extinción de arco de los MCCB de CC bipolares de 1500 V CC depende en gran medida de si el arco puede entrar suavemente en las placas divisoras del conducto de arco durante las primeras etapas.
· El diseño original de la placa divisora convexa acerca las placas a los contactos pero induce una acumulación severa de presión en la entrada, bloqueando la entrada del arco.
· Las placas divisoras escalonadas reducen la densidad de la placa de entrada, proporcionando un espacio crucial para aliviar la presión que facilita la entrada y el corte del arco.
· El cono de guía de flujo redirige el flujo de gas en el fondo del conducto de arco, lo que reduce la acumulación de presión y la inversión del flujo para garantizar un movimiento de arco estable.
Referencias
CHEN Mo, LU Ningyi, ZHAI Guofu. Diseño óptimo de conductos de gas para disyuntor de caja moldeada bipolar de 1500 V CC basado en simulación de magnetohidrodinámica de arco [J]. Transacciones de la Sociedad Electrotécnica de China.
