Mitigar el impacto de arcos internos en la aparamenta es un acontecimiento raro pero peligroso. ABB ha lanzado una plataforma de simulación del arco que incorpora tres herramientas de simulación del flujo de gas. Esta plataforma permite evaluar la capacidad de resistencia al arco interno de un producto.
Marley Becerra, Ulf Sand ABB Corporate Research Västerås, Suecia marley.becerra@se.abb.com, ulf.sand@se.abb.com Jörg Lehmann ABB Corporate Baden-Dättwill, Suiza joerg.lehmann@ch.abb.com
Los arcos eléctricos involuntarios que se creanentre conductores energizados en los sistemaseléctricos pueden tener mucha energía. Estosarcos pueden crear plasmas con temperaturasmuy por encima de los 10 000 °C que impulsan unaexpansión rápida y violenta del gas, lo que da lugara una explosión de alta energía →1.
Por ejemplo, un fallo por arco a partir de unacorriente de cortocircuito pico de 25 kA que dure un cuarto de segundo libera una energía comparable a la de 2 kg de dinamita [1]. Esta energía explosiva libera esfuerzos (mecánicos y térmicos) que ponen en peligro al personal y dañan gravemente los equipos y las estructuras.
Para mitigar los efectos nocivos de un fallo por arcointerno, la onda de presión formada por los gases debe dirigirse a depósitos tampón o al exterior mediante conductos o canales de escape. Además, se utilizan dispositivos de control de presión (PCD) tales como aberturas, mallas metálicas, flaps o discos de ruptura para enfriar el gas, redirigir el flujo y limitar la presión máxima admisible. Los productos diseñados para proteger al personal operativo frente a los fallos por arco interno suelen estar etiquetados como resistentes al arco.
Los productos resistentes al arco de ABB se prueban aplicando normas relevantes (como IEC 62271200e IEEE C37.20.7) para verificar que son capaces de soportar sobrepresiones y liberar gases calientes lejos del personal durante las averías. Sin embargo, las pruebas tipo de estos productos constituyen un esfuerzo muy costoso que lleva mucho tiempo.
Simulación por ordenador de arcos internos
Se pueden utilizar simulaciones por ordenador en un prototipo virtual del aumento de la temperatura y la presión para evaluar la capacidad de resistencia al arco interno de un producto. Una vez validado, este enfoque constituye una herramienta valiosa y rentable para cuando no es viable realizar pruebas, para las primeras etapas de desarrollo del producto o para la validación de cambios en un diseño ya clasificado. Esta simulación también puede utilizarse para identificar regiones de la estructura en las que se producirán presiones por encima de las críticas en caso de arco y para localizar y dimensionar los PCD y los canales/conductos de escape adecuados. Además, estos cálculos pueden proporcionar los datos de entrada (fuerzas) de un análisis mecánico para evaluar posibles daños estructurales por arcos internos y para probar virtualmente un producto.
De acuerdo con CIGRE [1], los procesos físicos de los fallos por arco interno pueden calcularse de distintas formas, utilizando modelos básicos o mejorados o incluso cálculos de dinámica de fluidos computacional (CFD). Todos estos modelos requieren como entrada la corriente y la tensión del fallo por arco, pero difieren en complejidad, potencia predictiva y esfuerzo de simulación. Estas diferencias están relacionadas con las simplificaciones que utilizan en relación con:
- Representación del arco: el fallo por arco interno se representa generalmente como una fuente de calentamiento simple utilizando el factor de ajuste empírico kp. Este factor representa la fracción neta de la energía del arco eléctrico que provoca directamente el aumento de la presión [1]. Alternativamente, el arco puede modelizarse utilizando fuentes de energía y masa que incluyan diferentes procesos físicos (tales como,radiación, vaporización metálica, etc.).
- Propiedades del gas: las propiedades termodinámicas del gas se consideran valores constantes o variables dependientes de la temperatura y la presión utilizando datos reales de gases.
- Geometría: los compartimentos que contienenel gas en el fallo pueden modelizarse como zonas no dimensionales de volumen concentrado o zonas tridimensionales (3D) que corresponden con la geometría real del dispositivo.
- Análisis de flujo: el flujo puede evaluarse mediante la conservación del valor promedio de energía y masa en los volúmenes (despreciando los efectos de las ondas viajeras de presión).También puede resolverse en detalle espacialmente mediante un análisis CFD.
- PCD: los PCD se representan como aberturas simples con un factor de eficiencia de flujo conocido o pueden modelizarse en CFD teniendo en cuenta su resistencia real al flujo (incluyendo también el movimiento de rotación o traslación de los flaps y discos de ruptura).
Con vistas a satisfacer las necesidades de sus clientes internos y externos, ABB ha desarrollado tres herramientas con distintos niveles de precisión, resolución geométrica y coste computacional. Estas herramientas se conocen como IAT (herramienta de arco interno), DIAS (simulacionesde arco interno basadas en DymoDAT) y PRIAS (aumento de la presión en simulación de arcointerno) y sus características generales se muestran en →2. Estas herramientas permiten evaluar el impacto de los fallos por arco interno en un amplio espectro de aplicaciones: desde cálculos rápidos durante licitaciones de aparamentas y subestaciones, pasando por investigaciones de incidentes de arco interno en unidades ya instaladas, hasta el desarrollo de productos.
Herramienta de arco interno IAT
IAT es una herramienta de simulación rápida que utiliza un modelo básico de arco interno con el factor de ajuste empírico kp ya descrito ampliamente en un artículo anterior de ABB Review [2]. IAT se distribuye en forma de fichero ejecutable para su instalación en equipos con Microsoft Windows. Un caso de simulación puede establecerse cumplimentando los cuadros de texto de los datos de entrada de la interfaz gráfica de usuario (GUI) de IAT y puede ejecutarse en cualquier ordenador en decenas de segundos. Ha sido validado para fallos por arco interno en aire y en SF6.
Debido a las simplificaciones utilizadas, existen ciertas limitaciones en cuanto a la precisión y la potencia predictiva de los cálculos de IAT. Pueden producirse algunos problemas de precisión en el caso de temperaturas superiores a 6000 K en aire y a 2000 K en SF6 [2]. Puesto que los cálculos se basan en volúmenes concentrados, IAT no puede resolver las ondas viajeras de presión en el espacio, por lo que utiliza valores promedios en su lugar. Por lo tanto, tiene limitaciones para evaluar las ondas de presión que viajan por objetos alargados como conductos largos y canales de escape. Tampoco puede resolver el movimiento de los flaps y discosde ruptura.
Simulaciones de arco interno basadas en DIASDymo
DATDIAS es una herramienta que proporciona una simulación rápida tomando como base un modelo concentrado mejorado para la conservación de masa y energía. Su núcleo procede de la herramienta interna de ABB DymoDAT para describir la acumulación de presión durante las operaciones del interruptor de alta tensión [3]. El centro de la herramienta es un modelo mejorado de arco desarrollado internamente que incluye modelos físicos de los efectos más importantes, como la erosión en los electrodos.
Las reacciones exotérmicas entre el material erosionado en los electrodos y el gas de llenado se tienen en cuenta dentro de un modelo real del gas o plasma [4]. Por consiguiente, no es necesario un factor kp como parámetro de ajuste y se obtiene una descripción válida de las propiedades del gas en una amplia gama de temperaturas y presiones. El flujo de gas entre los distintos compartimentos del dispositivo se aproxima mediante relaciones dinámicas de gas estándar y puede corregirse mediante áreas de flujo reducidas eficazmente. La dinámica de apertura de los flaps y los discos de ruptura se tiene en cuenta estableciendo un tiempo de apertura tras alcanzar una determinada sobrepresión. →3.
DIAS requiere la instalación de la plataforma comercial de simulación Dymola, que también proporciona la GUI para introducir los parámetros del modelo y evaluar los resultados. Los tiempos de simulación se sitúan en torno a un segundo usando hardware computacional estándar. Las predicciones de DIAS se han validado para un gran conjunto de fallos por arco interno en SF6 -y equipos llenos de aire con electrodos de cobre o aluminio.
PRIAS - aumento de la presión en la simulación de arco interno
PRIAS es una herramienta de simulación CFD precisa y compleja destinada a complementar las herramientas IAT y DIAS resolviendo, en tres dimensiones, todos los parámetros de flujo. Permite la evaluación exacta del flujo, teniendo en cuenta las ondas viajeras de presión que no pueden resolverse dentro de una descripción concentrada. ABB ha desarrollado PRIAS como un conjunto de scripts que se ejecutan en el software CFD de terceros ANSYS Fluent en Linux. A diferencia de las demás herramientas, PRIAS requiere una descripción detallada de la geometría analizada y los PCD para generar la malla compatible con CFD que se requiere como entrada. Hasta ahora, las predicciones de PRIAS se han validado para arcos internos solo en aire.
Una simulación con PRIAS debe ejecutarse en un clúster de computadoras de alto rendimiento y suele durar menos de dos días. Sin embargo, el típico flujo de trabajo de la simulación (desde la planificación de una tarea de cálculo hasta su configuración y su ejecución posterior) puede tardar de varios días a varias semanas. Por este motivo, PRIAS se dirige principalmente a simulaciones de última generación en configuraciones complejas en las que los cálculos concentrados no son precisos o suficientes o donde no se conoce previamente el comportamiento de los PCD. Además, se recomienda PRIAS para simulaciones en estructuras que contienen partes alargadas (como conductoso canales de escape) o estructuras grandes con varios PCD instalados en la periferia, en las que debe tenerse en cuenta el efecto de las ondas viajeras de presión. En estos casos, PRIAS también puede utilizarse para la simulación más complicada de la interacción fluido-estructura necesaria para evaluar los daños mecánicos por arcos internos. En →4 se ilustra un ejemplo de la simulación PRIAS para aparamenta de media tensión aislada en aire, incluidos los discos de ruptura con movimiento dinámico.
Plataforma de simulación de arco interno de ABB
Para disponer de una plataforma común en todo ABB para el desarrollo, archivo y uso de las herramientas de simulación de arco, se ha creado un sitio interno de SharePoint de ABB. La plataforma también permite la coordinación de actividades de desarrollo entre los proveedores de servicios y los equipos de desarrollo de software. La plataforma del sitio está administrada porespecialistas en simulación de arco.
Un ejemplo de aplicación: Alba PL6
En 2016, se puso en marcha una investigación detallada de la acumulación de presión y del impacto estructural de un fallo por arco en el contenedor de rectificador Alba PL6. La investigación consistió en encontrar un diseño mejorado que incluyera las especificaciones y el posicionamiento de los PCD. El objetivo principal era conseguir un diseño estructural óptimo para un contenedor de rectificador protegido contra arcos que permitiera un alivio efectivo de la presión hacia el exterior. La investigación se llevó a cabo por etapas, utilizando inicialmente DIAS para determinar de forma aproximada las áreas generales de aperturade los flaps de descarga de la presión, sin incluir detalles geométricos ni aspectos del flujo en el contenedor de rectificador.
Una vez finalizadas las simulaciones con DIAS, la tarea se centró en hacer cálculos con PRIAS conforme a las condiciones detalladas del flujo y la presión de los espacios de arco y servicio dentro del rectificador.
Utilizando estos cálculos, se estableció el número de flaps de descarga de presión y su ubicación, minimizando las sobrepresiones generadas →5.
En la siguiente etapa, se utilizaron la presión y las fuerzas en las paredes y superficies estimadas por PRIAS para evaluar la integridad estructural del sistema mediante simulaciones 3D por elementos finitos (se utilizó el paquete de software de análisis por elementos finitos ABAQUS). Se investigó la respuesta estructural del fallo por arco en términos de desplazamiento de la pared, deformaciones plásticas, esfuerzos en las soldaduras y fuerza en las juntas →6.
Rentable y rápido
Si bien el arco interno es un acontecimiento raro, sus efectos pueden ser devastadores, incluso fatales. Las herramientas de simulación analizadas aquí ofrecen un medio eficaz para diseñar recintos eléctricos propensos al arco interno de forma que se reducen masivamente los efectos perjudiciales de estos acontecimientos. Las herramientas se han utilizado, entre otras cosas, en un nuevo proceso de diseño eficiente para dimensionar un contenedor de rectificador y un dispositivo de alivio de la presión. Asimismo, la experiencia de campo ha demostrado que las sobrepresiones calculadas se aproximan mucho a los valores medidos durante una prueba de arco interno en el mismo objeto. La plataforma ofrece también un enfoque muy rentable: en uno de los casos, se pudo simular el aumento de la presión dentro de una unidad presurizada en arco interno a un coste veinte veces menor que el de las pruebas físicas.
La plataforma puede acortar radicalmente los plazos de desarrollo. En uno de los ejemplos, apoyó la toma de decisión entre un rediseño completo o una mejora del diseño existente, ahorrando así cientos de miles de dólares. Además, la plataforma ofrece una forma de demostrar al cliente la eficacia del diseño específico de un armario, contenedor o sala en muy poco tiempo.
Referencias
[1] CIGRE WG A3.24, “Tools for simulation of the internal arc effects in HV and MV switchgear,” Electra, 2015.
[2] E. Dullni et al., “Feeling the pressure: Simulating pressure rise in switchgear installation rooms,” ABB Review, 3/2013, pp. 54–59.
[3] J. Lehmann et al., “A Modelica library for High-Voltage AC Circuit-Breaker Modeling,” Proceedings of the 7th International Modelica Conference, Como, September 20–22, 2009, pp. 855–860.
[4] C. Doiron and K. Hencken, “Calculation of thermodynamic and transport properties of thermal plasmas based on the Cantera software toolkit,” Proceedings of the XXII Europhysics Conference on Atomic and Molecular Physics of Ionized Gases, Greifswald, July 15–19, 2014.
